射频功率放大器.doc

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实验四：射频功率放大器

【实验目的】

通过功率放大器实验，让学生了解功率放大器的基本结构，工作原理及其设计步骤，掌握功率放大器增益、输出功率、频率范围、线性度、效率和输入/输出端口驻波比等主要性能指标的测试方法，以此加深对以上各项性能指标的理解。

【实验环境】

1．实验分组：每组2~4人

2．实验设备：直流电源一台，频谱仪一台，矢量网络分析仪一台，功率计一只，10dB衰减器一个，万用表一只，功率放大器实验电路板一套

【实验原理】

一、功率放大器简介

功率放大器总体可分成A、B、C、D、E、F六类。而这六个小类又可以归入不同的大类，这种大类的分类原则，大致有两种：一种是按照晶体管的导通情况分，另一种按晶体管的等效电路分。按照信号一周期内晶体管的导通情况，即按导通角大小，功率放大器可分A、B、C三类。在信号的一周期内管子均导通，导通角（在信号周期一周内，导通角度的一半定义为导通角），称为A类。一周期内只有一半导通的成为B类，即。导通时间小于一半周期的称为C类，此时。如果按照晶体管的等效电路分，则A、B、C属于一大类，它们的特点是：输入均为正弦波，晶体管都等效为一个受控电流源。而D、E、F属于另一类功放，它们的导通角都近似等于，均属于高功率的非线性放大器。

二、功率放大器的技术要求

功率放大器用于通信发射机的最前端，常与天线或双工器相接。它的技术要求为：

1.效率越高越好

2.线性度越高越好

3.足够高的增益

4.足够高的输出功率

5.足够大的动态范围

6.良好的匹配（与前接天线或开关器）

三、功率放大器的主要性能指标

1.工作频率

2.输出功率

3.效率

4.杂散输出与噪声

5.线性度

6.隔离度

四、功率放大器的设计步骤

1.依据应用要求（功率、频率、带宽、增益、功耗等），选择合适的晶体管

2.确定功率放大器的电路和类型

3.确定放大器的直流工作点和设计偏置电路

4.确定最大功率输出阻抗

5.将最大输出阻抗匹配到负载阻抗（输出匹配网络）

6.确定放大器输入阻抗

7.将放大器输入阻抗匹配到实际的源阻抗（输入匹配网络）

8.仿真功率放大器的性能和优化

9.电路制作与性能测试

10.性能测量与标定

五、本实验所用功率放大器的简要设计过程

1.PA设计的性能指标

频段/GHz

1.8～2.5

线性增益/dB

=30

等驻波比VSWR

=2.5

1dB压缩点P1dB/dBm

=20

增益平坦度/dB

±1

2.晶体管的选择

本实验所选用的晶体管为安捷伦公司的ATF54143_PHEMT，这种晶体管适合用来设计功率放大器。单管在1.8～2.5GHz处能达到的最大资用增益大于18dB，而1dB压缩点高于21dB。

3.LNA电路方案的确定

为满足设计的性能指标，PA的电路方案采用两级放大，前后两级偏置电路使用对称结构。确定功率放大器工作点负载线的中点，使它工作在A类，具有很好的线性度。第一级采用最大增益匹配，第二级输出匹配网络采用功率匹配，级间共轭匹配。

4.直流（电压/电流）偏置电路设计

本实验所用功率放大器采用基极分压射极偏置电路，但将它的射频扼流圈换为一端开路的四分之一波长传输线。这样就综合了基极分压射极偏置电路和传输线偏置法的优点，既能使放大器的工作点稳定又能抑制偶次谐波，还能改善放大器的稳定性。

图1偏置电路

上图中，R1与R2一起构成分压回路，R3为限流电阻，旁路电容C2、C3与四分之一波长传输线L1、L2起阻止基波流向直流源并抑制偶次谐波的作用。电容C4、C5起隔直通交作用，而旁路电容C1负责滤除直流源的杂散信号。

5.阻抗匹配/转换电路设计

阻抗匹配/转换电路设计取决与放大器要求的增益、输出功率、效率、线性度和交调失真比等指标。

PA阻抗匹配/转换电路设计基本步骤：

1）确定最大功率传输负载阻抗

2）将最大功率传输负载阻抗匹配到实际的负载阻抗

3）确定放大器输入阻抗

4）匹配放大器输入阻抗到信号源阻抗

功率放大器的匹配网络均采用单节短截线匹配法。匹配顺序为从后级往前级匹配。第二级的输出匹配网络采用功率匹配，即确定晶体管的最大功率传输负载阻抗，将所得到的最大功率传输负载阻抗匹配到实际负载阻抗，输出端匹配好以后，测出此时晶体管的输入阻抗。第一级采用最大增益匹配，将其要求的输出阻抗共轭匹配到第二级的输入阻抗，再将其输出阻抗匹配到实际的负载阻抗。这样就完成了整个放大器的匹配电路设计。

偏置电路和匹配电路设计好以后，整个功率放大器本身的设计已完成。为了保险起见，还需设计一个直流保护电路，以保证当输入的直流电压和电流过大时，功率放大器电路不会受到损坏。

六、实验使用的P