超寬帶功率放大器概述

王行建（中國電子科學研究院，北京，100041）

超寬帶功率放大器概述

王行建
（中國電子科學研究院，北京，100041）

超寬帶功率放大器是通信系統的重要組成部分。本文闡述了功率放大器的分類和主要參數，簡要介紹了超寬帶功率放大器的設計，并介紹了國內外超寬帶功率放大器的最新研究現狀。

超寬帶功率放大器；設計；現狀

1 功率放大器的種類和主要參數

甲類(A類)放大器是所有類型功率放大器中線性度最高的，電流的導通角為360度，但其效率非常低，在理想狀態下效率僅為50%，實際電路中在30%以下，適應于小信號小功率放大。

乙類(B類)放大器電流導通角為180度.其效率在理想狀態下可達78%，實際電路中效率小于60%，乙類適應于大功率工作狀態。

甲乙類(AB類)特性介于甲類和乙類之間，電流導通角大于180度但遠小于360度，一般情況下其效率在30%-60%之間。

丙類(C類)放大器電流導通角小于180度。丙類適應于大功率工作狀態。其輸出波形是為周期性脈沖，必須并聯LC濾波器后，才能得到所需要的正弦波。丙類工作狀態的輸出功率和效率是這幾種中最高的。功率放大器多采用丙類放大器的形式。在理論上，C類放大器的效率可以達到100%，實際電路中約為60%。

丁類(D類)放大器和戊類(E類)放大器功率器件工作在開關狀態，其原理是將功率元件作為開關使用，并借助輸出級的濾波及匹配網絡使輸出端得到完整的輸出波形。丁類放大器的效率高于丙類放大器，理論上可達到100%。

F類放大器是C類功率放大器的延伸，他們的偏執方式相似，但F類放大器在功率管輸出端與負載間加入了諧波控制網絡，以此提高效率，在理論上它們的效率都可以達到100%，但在實際電路中因受到開關切換時間等因素的控制而無法達到理想值。

功率放大器有幾個重要的參數，說明如下。

（1）工作頻段：是指功率放大器在規定的線性度和額定輸出功率等條件下能夠正常工作的頻率范圍，單位Hz。

（2）功率增益：當輸入一定強度的信號時，功放輸出功率相對于輸入功率放大的倍數，即放大器的輸出功率與驅動輸入功率的比值，單位一般是dB。

（3）輸出功率：功率放大器能夠輸出給天線等負載的帶內射頻信號的總功率，單位dBm或W。

（4）功放效率：功放輸出功率與輸入總功率的比值。

（5）線性度：一般有兩個指標反應功率放大器的線性度，1dB壓縮點和三階互調點。效率和線性度通常需要折中考慮。

2 超寬帶功率放大器的設計

設計功放電路前應該先考量系統規格要求的重點，再來選擇電路架構。以射頻功率放大器而言，有的系統需要高效率的功率放大器，有些需要高功率且線性度好的功率放大器，有些需要較寬的工作頻帶等，這些系統需求往往是相互抵觸的。如B類、C類、E類架構的功率放大器皆可達到比較高的效率，但信號的失真卻很嚴重；而A類放大器是所有放大器中線性度最高的，但效率太低。為了保證窄帶信號的最大能量傳輸，窄帶功率放大器共軛匹配，一個簡單的L型或π型匹配網絡就可以實現窄帶功率放大器的共軛匹配。

超寬帶功率放大器不止要提高寬帶放大器的輸出功率或者展寬功率放大器的工作帶寬，需要同時滿足帶寬、線性度、增益和穩定性要求。每個單獨的要求都相對容易滿足，但是在要求同時滿足這些要求時，微波寬帶功率放大器的設計就將面臨相當大的難度，而且當帶寬增加到倍頻程及以上時，每一個環節都變得非常困難。需要考慮特定的拓撲結構、寬帶匹配網絡、寬帶偏置網絡、大信號模型下輸入輸出阻抗、精確的大信號模型、大功率合成網絡、良好的熱設計等。具體設計時首先要選擇合適的晶體管，綜合考慮晶體管的工作頻率、輸出功率、功率增益、穩定性等。其次根據放大器的要求和晶體管特性確定合適的工作狀態，射頻功率放大器的工作狀態主要由功率、效率、失真度等性能來決定。然后進行功率放大器的電路設計，包括阻抗匹配、配置電路和直流扼流等，最重要的是設計匹配網絡，因為匹配網絡不僅具有阻抗變換的作用而且還有濾波器的功能。為了同時滿足最大能量傳輸和增益的平坦度，對于寬帶功率放大器需要設計寬帶的匹配網絡。

4 超寬帶功率放大器研究現狀

國外超寬帶的大功率放大器主要采用行波管結構，工作頻率可以覆蓋到毫米波頻段，輸出功率最大可以達到上千瓦。行波管功率放大器的廠家主要有AR、IFI、RADITEK、Quarterwave Corp、RF Amplifiers等公司。其中AR公司有產品覆蓋0.7-18GHz，由0.7-6GHz和6-18GHz兩段組成，額定輸出功率有10W，20W，40W等。IFI公司的寬帶行波管放大器工作頻率為1-18GHz，額定輸出功率為10-100W；寬帶固態功率放大器工作頻段為0.8-18GHz，額定輸出功率為5-50W。RADITEK公司1-18GHz TWTA功率放大器，輸出功率高于1kW。

國內方面，超寬帶功率放大器的研究起步較晚，目前13所6-18GHz的GaAs功率放大器芯片的飽和輸出功率為37dBm，GaN功率放大器的飽和輸出功率為40dBm；中電12所推出的行波管功率放大器工作頻率為6-18GHz，額定輸出功率為100W。

5 結束語

軍用、民用通信領域的無線通信系統離不開功率放大器。現代通信的發展對工作帶寬，線性度，能量效率等指標提出了更高的要求。對于工作頻率范圍更寬、增益更高的穩定超寬帶功率放大器，還有待進行進一步的研究和探索。

[1]陳琦.VHF寬帶功率放大器設計[D].成都: 電子科技大學,2009.

[2]周博敏.超寬帶功率放大器設計[D].北京:北京交通大學,2011.

[3]徐鋒.射頻放大器的研究[D].大連:大連海事大學,2009.

The Summarizing of Ultra-wideband Power Amplifier

Wang Xingjian
(China Academy of Electronic and Information Technology,Beijing,100041)

Ultra-wideband power amplifier is an important part of the communication system . This paper describes the classification and main parameters of power amplifier , briefly introduces the design of ultra-wideband power amplifier , and introduced the latest research status of ultra-wideband power amplifier at home and abroad.

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