射频2

第1章 概述

本章介绍了射频功率放大器的研究目的和意义，讨论现阶段的研究现状以及发展趋势，最后阐述了在论文期间所做的主要工作和前期计划结构。 1.1课题研究的目的和意义

随着21世纪的到来，人类社会已步入信息时代社会信息极大的改变了人类社会的生产、工作、学习和生活方式，人们对信息的依赖与需求越来越大，随时随地、迅速可靠的与通信的另一方进行任何方式的信息交流成为人们不断追求的目标。从全球范围来看，无线通信用户的年增量都在大幅度的增长，无线通信已经进入规模化发展的阶段。如今快速的发展无线通信已成为信息产业中最耀眼的亮点，并成为社会经济发展的动力。现代通信迅速发展，对射频功率放大器的要求也越来越高，其在整个无线电通讯系统中非常重要，输出功率决定了通讯距离的长短，其他方面也对通讯的效率性能指标起决定性作用。

射频功率放大器由于尺寸、线性度高、噪声低等优点，广泛运用与在卫星通信、雷达和电子战以及各种工业装备，伴随着无线通讯和军事领域新标准新技术的发展，对射频功率放大器的性能要求也高，使之在更宽频带内，具有更高的输出功率、效率和可靠性，例如为在有限的频谱范围内容纳入更多的内容就要求更多的通讯通道，获得较高的输出功率，现在通讯系统均采用了QPSK、64QSN等线性调制技术，这些调制技术对功放的非线性非常敏感，因而对放大器有更高的线性要求，提高功率放大器的可靠传输，以避免对其他信道的干扰，保证通讯的正常可靠。

为了满足各种应用需求，近十几年来人们不断推动射频功率放大器的发展和进步，在这十几年发展过程中，射频器件及射频技术的发展是推动射频功率放大器发展的俩大因素射频器件的发展是射频功率放大器的发展成为可能，射频技术的发展使射频功率放大器的性能得到提高。目前，由于无线领域局域网的市场潜力，世界各国的工业界和科技界都投入巨大的力量，加强这方面的研究与开发工

作，对射频的高集成度、成本和小型化追求都把目标集中在多频带和多模式上，即用较少的芯片输在多频带实现各种功能。

射频功率放大器的应用领域比较广泛，比如雷达、通讯、导航、卫星地面站。点子对抗中都需要它，如在有源相控阵雷达中射频功率放大器就扮演着重要角色，在电子战中，射频功率可制成有源诱饵，便面飞机被导弹击中，通讯中，射频功率放大器广泛运用与小功率或低数据率终端，如射频功率放大器就很大程度上决定这个人移动电话的通话时间和待机时间。总之需要对射频信号进行功率放大的设备中都离不开射频功率放大器。与低噪声放大器相比，射频功率放大器除了要满足一定的增益、驻波比、频带外，突出的要求是输出功率和高转换率及减少非线性失真。

1.2研究现状和发展趋势

对于射频功率放大器的研究方面许多专家教授都对这方面作了相关的研究，得到了许多成果总结，这对我们后期的学习有了很大的帮助，以下是我参考的文献：

张利飞、汪海勇在《低噪声功率放大器的仿真设计》根据非线性结的谐波辐射特性,通过发射基波信号,接收二次或三次谐波/组合波来探测含有非线性结的目标。由于谐波雷达接收机要接收来自非线性结散射回来的微弱的二次或三次/组合波信号,因此对谐波雷达发射机的谐波抑制能力和低噪声提出了较高的要求。而发射机的主要部件是功率放大器,本文根据谐波雷达发射机的要求,设计的放大器的指标为:工作频率:900MHz输出功率:2W(33dBm)功率增益:37dB输入输出驻波比:小于1.5:1三阶交调:-20dBc二次谐波抑制:大于40dB噪声系数:小于1dB1方案确定与器件选择首先从功率增益上考虑,一般功率放大器的增益在15dB左右,为了能达到37dB的功率增益,需要3级放大器,考虑到第一级放大器为小信号放大器,而且小信号放大器的增益比较大,从而确定的方案为两级放大器,即前级小信号放大器和后级大信号放大器。其次从噪声系数上考虑,由于总的噪声系数小于1dB,则要求所选放大器的噪声系数均比较小,考虑到前级放大器的噪声系数对整个系统的影响最大,故前级主要从最小噪声系数上考虑,后级可以在满足一定噪声系数的条

件下主要考虑功率。

陈晓飞，沈军等在2014年的文献《高线性度CMOS射频AB类功率放大器设计》中，指出CMOS射频AB类功率放大器广泛应用于单片集成无线芯片内．采 用恒定最大电流的方法对其效率进行分析，采用归一化输入电压的方法对其线性度进行分析．利用AB类功率放大器系统增益的非线性与CMOS跨导非线性相互补 偿，提高了CMOS射频 AB类放大器的线性度．基于 TSMC 0．18μm CMOS 混合信号工艺，设计了一款两级射频AB类功率放大器[2]。

延涛在2007年的文献《高性能CMOS射频功率器件及功率放大器研究与实现》中，指出随着人们对无线通讯需求的不断增加，射频集成电路（RFIC）技术迅速发展，成为了集成电路产业新的增长点。在RFIC所采用的工艺技术中，RF CMOS具有成本和集成度方面的巨大优势，是未来无线通讯技术的发展趋势[3]。

许永生在《CMOS射频器件建模及低噪声放大器的设计研究》中指出微波低噪声放大器是利用微波低噪声场效应管在微波频段进行放大。特别需要注意的是，因为场效应管都存在着内部反馈，当反馈量达到一定强度时，将会引起放大器稳定性变坏而导致自激，改善微波管自身稳定性采取的是串接阻抗负反馈法，在场效应管的源极和地之间串接一个阻抗电路，构成负反馈电路。实际的微波放大器电路中反馈元件常用一段微带线代替，相当于电感性元件负反馈，这样对电路稳定性有所改善。利用PHEMT芯片，应用混合集成工艺进行设计，在宽频带范围内实

现了低噪声系数和低驻波特性。器件的选用恰当与否直接关系到性能指标的优劣，宽带低噪声放大器最关键的器件就是放大器的基础——GaAsPHEMT芯片。为满足高增益指标，

[1]

GaAsPHEMT应具有尽可能高的跨导；同时，为了满足低的噪声系数，GaAsPHEMT自身的噪声系数应尽可能低；由于型谱产品频段较高，为了避免分布参数带来的影响，同时减小体积，GaAsPHEMT选择采用管芯。 该项目为了兼顾噪声和增益，所以采用2级放大。第1级放大器的设计必需是最佳噪声设计，即输入匹配网络必需是最佳噪声匹配网络，不必追求最大增益；第2级放大器保证输出功率和总增益[4]。

胡柳林在《800MHz CMOS低噪声功率放大器设计与仿真功率放大器》指出无线发射器中必不可少的组成部分，也是整个发射机中耗能最多的部件，输出功率

一般比较大。射频功率放大器的主要作用就是放大射频信号，以输出大功率为目的。射频信号功率的放大实质上是在输入射频信号的控制下将电源直流功率转换为高频功率。相对于其它无线收发组件，大功率、高线性、高效率是功率放大器的基本设计要求。介绍了基于TSMC0.18umCMOS工艺的功率放大器的设计，给出了仿真结果和版图设计。该电路采用两级放大结构，单端输入单端输出。第一级采用共源共栅放大电路，第二级采用差分放大电路，输出由一个平衡．不平衡电路转化为单端输出。在3.3V的供电电压下，最大输出功率为16.25dB，增益为20dB，输入1dB压缩点位13dB，带宽为1GHz~2GHz，满足设计指标要求[5]。

金香菊在《CMOS射频C类低噪声功率放大器研究与设计》功率放大器作为射频收发机中功耗和体积最大模块,其性能直接决定了整个射频收发机的成本、功耗和体积,因此研究CMOS射频功率放大器对实现单芯片射频收发机意义重大。 本文通过深入分析CMOS射频C类功率放大器的系统结构和工作原理,设计出一个可单片集成的射频C类功率放大器,并完成了版图设计。 首先对线性和非线性功率放大器进行了系统总结。采用电流源C类功率放大器模型,推导出功率放大器的效率、漏极电流的频谱、输出功率与导通角θ的关系,并用于指导功率放大器设计。 其次,对基于CMOS工艺的射频C类功率放大器进行研究,并设计出一个中心频率2.4GHz的C类功率放大器。考虑输出功率、功率增益和效率要求,并针对CMOS工艺晶体管击穿电压低和跨导能力有限等缺点,采用单端两级拓扑结构,使用共源共栅和输出级的输入谐振网络等电路设计技术,提高了功率放大器的性能。 最后,基于TSMC 0.35μm SiGe BiCMOS RF工艺,采用Cadence的SpectreRF进行电路仿真和版图设计。仿真结果表明,在使用片上电感后,输出功率达到24dBm,功率增益为24dB,功率附加效率达到34%[6]。

王振，喻志远，雍正平，雷毅在《C波段低噪声功率放大器的设计》中通过仿真结果可以看出，放大器的输入输出驻波比、噪声和增益等指标基本上都合格。从设计中可以了解使用ADS来设计低噪声放大器的基本方法，首先要做的就是偏置电路的设计，然后用S参数仿真来进行稳定性的判断，若在使用频段内不稳定，还需要进行稳定性的设计。当场效应管工作稳定后就要对其进行阻抗匹配。一般低噪声放大器的第1级需要良好的噪声特性，所以第1级的输入端进行最佳噪声阻抗到50源负载的匹配，输出端进行共轭匹配。如果要考虑到第1级的增益输出

不能太低的话，则需要画出增益圆图和噪声圆图，然后选择合适的源阻抗值，牺牲一部分噪声来提高增益。第2级一般为功率输出级，需要的是最大的增益输出，所以第2级一般对输入输出同时向50负载做共轭匹配，在匹配之前，需要算出最佳共轭匹配的ZS和ZL值，这个值只有在电路稳定的情况下才唯一存在的。2级分别设计，再级联，由于计算机已经进行了参数优化，通常不需调整就可达到比较满意的效果。还有器件参数的离散性，以及加工误差，实际加工出来的结果有一些微小差异，这就需要在实际调试中，稍微调整一下分布参数，就可达到最佳的效果[7]。

李斐在《宽带射频接收机前端低噪声放大器设计》中指出无线通信市场的发展以及人们对无线通信与日俱增的需求推动了这一领域的研究与开发。无线收发机始终向着高性能,高集成度、低功耗、低成本的方向发展。本论文以设计射频无线收发机中关键组成射频接收机前端为目的,研究并设计射频接收机前端的系统和模块。 首先从系统的角度出发,简要介绍了射频系统接收的一些性能指标及其衡量标准,系统的分析比较了几种适用于单片集成的射频接收机结构,总结了各自的优缺点,提出在系统结构选取上的设计考虑；然后详细分析了射频接收机前端的两个模块：低噪声放大器和混频器,总结并比较了一些常用的电路拓扑结构[8]。

黄晓华在《低噪声射频功率放大器的设计与优化》中写到微波和射频工程是一个令人振奋且充满生机的领域，主要由于一方面，现代电子器件取得了最新的发展；另一方面，目前对语音、数据、图像通信能力的需求急剧增长。在这一通信变革之前，微波技术几乎是国防工业一统天下的领域，而近来对无线寻呼、移动电话、广播视频、有绳和无绳计算机网络等应用的通信系统需求的迅速扩大正在彻底改变工业的格局。这些系统正在用于各种场合，包括机关团体、生产制造工厂、市政基层设施，以及个人家庭等。应用和工作环境的多样性伴随着大批量生产，从而使微波和射频产品的低成本制造能力大为提高。这又转而降低了大批新型的低成本无线、有线射频和微波业务的实现成本，其中包括廉价的手持GPS导航设备、汽车防撞雷达，以及到处有售的宽带数字服务入口等[9]。

朱樟明 刘帘曦在《PWM CMOS D类音频功率放大器》提出了一个高效的PWM CMOS d类音频功率放大器。轨到轨PWM比较器与窗函数被嵌入到d类音频功率放大器。根据TSMC 0.5μm CMOS工艺设计结果表明,最大效率为90%,PSRR -75分贝,电源

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