《发射系统》PPT课件.ppt

通信电子线路,东南大学射频与光电集成电路研究所,第四章 发射系统,发射系统框图射频功率放大器射频功率管的阻抗匹配网络射频功率放大器的网络设计方法射频功率放大器的功率合成技术,3,发射系统框图,第四章 发射系统,发射系统框图射频功率放大器射频功率管的阻抗匹配网络射频功率放大器的网络设计方法射频功率放大器的功率合成技术,5,射频功率放大器,RFPA的特点：指标与以前的 放大器不同：输出功率P0、电源供给功率PD、管耗PT。以及失真、电路尺寸和重量（包括散热片）对功率管的要求高：最大击穿电压、最大集电极电流、最大管耗及最高工作频率等多级功放的级间匹配网络设计计算；,6,射频功率放大器指标,输出功率P0:功率放大器能够向负载提供的最大交流功率。效率和功率附加效率(Power Added Efficiency,PAE):功放将电源的直流功率转化成交流信号功率输出，只有一部分直流功率被转化成有用的信号功率并为负载所获得，另一部分被放大器本身以及电路中的寄生元件所消耗 PL/PD,PAE=(PL-Pin)/PD=(1-1/G)管耗：放大器本身所消耗的能量PT=PD-P0在确保晶体管安全运用情况下，获得尽可能大的输出功率、尽可能高的效率、尽可能小的非线性失真。,7,功率晶体管的要求,集电极基极电压VCB0发射极基极电压VEB0集电极发射极电压VCE0集电极电流ICM功率损耗PCM储存温度范围工作结温,8,功率放大器的分类,9,功率放大器的分类,根据功放管导通时间的长短甲类（A类）,A类(甲类）工作状态：输入正弦波的一周期内，功率管全导通。输入是正弦波，输出也是正弦波，且频率相同，因此是同频线性放大器,10,功率放大器的分类,乙类（B类）,B类（乙类）工作状态：输入正弦波的一个周期内，功率管半个周期导通，半周期截止形成半波失真输出，产生多次谐波。常用LC并联谐振回路选频：同频放大和倍频放大,11,功率放大器的分类,甲乙类（AB类）,12,功率放大器的分类,丙类（C类）,C类（丙类）工作状态在输入正弦波的一周期内，功率管导通 时间小于半个周期(通角/2)，输出为小于半个周期的余弦脉冲，从而形成丰富的谐波输出。同频放大和倍频放大,13,功率放大器的分类,开关型功率放大为进一步提高效率，要求功率管处于开关状态。双管D类功放。单管E类功放。,14,功率放大器的分类,15,RF PA的工作状态和效率,16,A 类 RF PA,A类功放输出信号为输入信号的线性函数，故又称为 线性功率放大器。,电路结构 特点(与低频甲类功放的区别)：RC 改用LC（高频扼流电感）RE 改尽可能小偏置电路可使电路偏置在A、B、C类状态。,17,A 类 RF PA,18,A 类 RF PA,交流负载线：vce=-RLic(1)vCE=VCEQ+vce;iC=ICQ+ic(2)故(1)式改写为：vCE-VCEQ=-RL(iC-ICQ)功率管的集射极间交直流总电压为：,19,A 类 RF PA,输入正弦信号时：iC=ICQ+Icmsint vCE=VCEQ-VcmsintVcm=IcmRL输出功率：静态功耗：管耗功率：效率：,20,A 类 RF PA,21,A 类 RF PA,考虑到功率管饱和压降VCE(sat)和反向饱和电流ICEO的影响,相应的输出信号功率和效率均可达到最大：,22,A 类 RF PA,功率管的管耗为PT=PD-P0,最大管耗发生在静态，即P0=0,则PTmax=PD在理想情况下：P0max=1/2I2CQRL，而PD=2P0max。此时，最大管耗PTmax=P0max,最大集射极间电压vCEmax=2VCC,考虑功率管压降后的最大效率：,23,A 类 RF PA,显然，为保持功率管安全工作，它们都必需小于管子的极限参数：,24,A 类 RF PA,输入为方波时，输出也为方波,25,A 类 RF PA,开关工作状态的D、E类PA就是根据这个原理,26,B类RF PA,A类低，且静态时PT=PD为使静态时PT=0，就要求ICQ=0，这就是B类,偏置和iC波形输出仅为半个周期余弦波形,通常将有电流出现时所对应相角的一半称为导通角,27,B 类RF PA,B类功放实现不失真放大的方法：用LC并联回路选频：选出基频同频放大 选出谐波倍频放大采用双管推挽工作，类似于低频乙类 互补推挽(push-pull)功放。,为减小趋于截止时的交越失真，采用AB类，使导通角略大于/2,28,B 类RF PA,29,B 类RFPA,工作波形,30,B 类 RF PA的工作效率,B类功放 最大输出功率：,B类功放输出平均电流：,电源提供功率：,效率：,31,C类 RFPA,C类RFPA工作特点：,32,C类RFPA,效率与导通角的关系如下图所示。,33,C类RFPA,C类功放又称为谐振功率放大器。C类功放的负载一般是阻抗性的，匹配网络是谐振电路。输出信号中，除含有有用输入信号成分外，还含有输入信号的各次谐波、交叉调制成分，寄生干扰成分。C类功放放大器一般只适于放大单频信号或等幅已调信号。,34,A、B、AB和C类功放小结,功率管处放大工作状态线性功放(A)和非线性功放(B,C)线性功放适用于调幅模拟信号放大导通角：A:=1800 B:=900 AB:900 1800 C:900,35,D类RFPA,从A类、B类到C类放大器是采取减小电流流通角的方法提高放大器的效率,为零,C类功放,使,但是,36,D类RFPA,功率管工作在开关状态即D类，类似于A类功放工作在方波信号时，达到高效导通时，vCE=0，饱和导通截止时，iC=0，充分截止D类和E类放大器是电流导通角固定为90，采用尽量降低放大器件耗散功率的方法来提高功率放大器的效率。,37,D类RFPA,原理图电路特点T1 T2 均为NEMOSFET，交替导通，开关工作NEMOSFET的导通电阻Ron很小。输入变压器起倒相激励作用。输出端与负载RL间接入一个高Q值LC串联谐掁回路。,38,D类RFPA,激励信号 vi 是一个重复频率为 f0 的方波，或是幅度足够大的正弦波。激励信号通过变压器 Tr1，在两次级线圈产生极性相反的推动电压 vg1 和 vg2，它们分别使晶体管 T1 和 T2 依次处于饱和或截止状态。在激励信号的正半周，T1饱和，T2 截止，于是电源电压 VCC 通过开关向 RLC 组成的串联回路充电，并使 A 点的电压提高到 VA=VDD-VDS。在激励信号的负半周，将为 T2 饱和，T1 截止，储存在 LC 的能量通过 T2 放电，并使 A 点的电压下降为：Va=VDS,39,D类RFPA性能分析,RL上的基波分量,流过每管的直流电流,电源供给功率,输出功率,效率,Ron是影响的主要因素，也是选择功率管的依据,40,例题,已知D类功放电路的电源电压VDD为24V,工作频率为20MHz，负载RL=50欧姆，功率管的导通电阻Ron2欧姆。1）若L=20H，空载品质因素Q0220，试求计算电容C和串联有载品质因素QL2)计算D类功放的输出功率P0、电源供给功率PD、效率和管耗PT,第四章 发射系统,发射系统框图射频功率放大器射频功率管的阻抗匹配网络射频功率放大器的网络设计方法射频功率放大器的功率合成技术,42,射频功率管的阻抗匹配网络,阻抗匹配网络通常采用滤波器形式，因此也能起选频作用,阻抗匹配的目的实现级与级之间最有效的能量传输,43,RF功率管的负载阻抗,射频功率管的负载阻抗可用如下关系式近似估算,VCC电源电压值，VCE(sat)为功率管的饱和压降，其值随工作频率增加而增加，大约为23V；PO为输出功率,44,RF功率管的负载阻抗,除VCE(sat)外，射频功率管负载阻抗大小与射频功率管本身无关，而由输出功率和峰值电压决定,负载阻抗与射频功率管的输出阻抗是不匹配的，二者之间必须插入阻抗匹配网络实现阻抗匹配,45,阻抗匹配网络,负载可以是天线网络，也可以是后级功放的输入阻抗,射频功率放大器中，阻抗匹配网络介于功率管和负载之间,对匹配网络的要求：能实现阻抗变换，实现级间、输出间匹配。具有滤波功能，实际它是一个滤波网络。插入损耗应尽可能小。,46,阻抗匹配网络,L 型匹配网络网络结构：网络分析：,RS-信号源内阻或前级放大器所要求的最佳负载RL-负载阻抗，天线阻抗X1,X2-匹配网络元件,47,阻抗匹配网络,48,串并联阻抗的等效互换,要使串并联网络等效，则两个网络阻抗(导纳)相等：则转换关系如下：网络有载品质因素,49,L匹配网络的计算,匹配条件：前级与负载为复共轭，即由匹配条件得：,50,L匹配网络的计算,由匹配条件 得：,51,阻抗匹配网络,型匹配网络型匹配网络可看作由两个L型网络串接而成，实践中使用这种匹配网络很多。网络设计关系如式4.494.51所示。,T型匹配网络T型匹配网络也可以看作两个L型网络串接而成：,第四章 发射系统,发射系统框图射频功率放大器射频功率管的阻抗匹配网络射频功率放大器的网络设计方法射频功率放大器的功率合成技术,53,功率合成技术,在通信系统中，往往需要在很宽的频率范围内合成很大的输出功率当需要输出的功率超过单个晶体管的输出功率时，可将多个功率管放大的功率叠加，这就是功率合成技术功率合成电路：由功率分配网络，功率放大器以及功率合成网络三部分组成,54,功率合成与传输线变压器,功率合成一般依靠上限工作频率高达几千兆赫兹的传输线变压器来实现,传输线变压器的结构由绕在铁氧体磁环上的射频传输线构成射频传输线经常用多股双绞线或双芯带状线磁环一般采用镍锌高导磁率(=100400)铁氧体磁环,55,功率合成与传输线变压器,传输线变压器的工作原理传输线原理和变压器原理的结合磁环没有损耗，仅仅依靠传输线进行能量的传输，始端和终端功率都为iv线圈绕在磁环上有磁耦合作用，因此传输线变压器具有变压器的作用，可以实现阻抗变换,56,传输线变压器,57,传输线变压器,符号,特性传输线的长度lmin/8(min为上限频率fH对应的波长)时，可以认为线上电压和电流处处相等，即均为v和i,传输线变压器的特性阻抗ZC=v/i,58,常用传输线变压器,1:1倒相变压器,59,传输线变压器,4:1传输线变压器,60,传输线变压器,1:4传输线变压器,多个传输线变压器组合连接实现多种阻抗比变换,61,功率合成原理,功率合成与分配常采用1:4传输线变压器,为满足网络实现功率合成与分配，取电阻RA=RB=ZC，RC=0.5ZC,RD=2ZC并假定ZC为纯阻,62,反相功率合成和同相功率合成,63,反相功率合成和同相功率合成,A,B两端送入幅度相等的反相激励电压对称性必然导致I=I流经RC电流为零，则C端无输出功率；输出功率全部合成到D端，因A,B为反相激励，称之为反相功率合成此时D端电阻与A,B两端激励功率放大器的内阻之和相匹配，即RD=2 R=RA+RB,64,反相功率合成和同相功率合成,若在A,B两端送入幅度相等的同相激励电压，由于电路的对称性，则在RC上获得输出功率，而在RD上则无输出功率，此时称为同相功率合成此时C端电阻与A,B两端激励功率放大器的内阻之和相匹配，即RC=1/2 R=RA RB,65,反相功率合成和同相功率合成,A，B端间的隔离条件将ia,ib写成va和vb的表达式，可以发现当且仅当RD=4 RC时，ia仅与va有关，ib仅与vb有关,66,功率分配,若将激励功率加在 C 端，功率将平均分配在AB 端实现同相功率分配若将激励功率加在 D 端，功率将平均分配在AB 端实现反相功率分配。,实践中如要求D端不对称(有一端接地)输出或馈入，需要接一个不对称1:1传输线变压器来实现转换,67,3080MHz 75W反向功率合成电路,各传输线变压器作用输入阻抗、等效负载阻抗及传输线变压器特性阻抗,68,射频功率放大器A、B、C、D四类射频功放的特点与区别四类射频功放的指标及其计算射频功率放大器的匹配网络 L型匹配网络的分析与计算 T型和型匹配网络的网络设计射频功率合成与功率分配传输线变压器原理与阻抗变换计算功率合成与功率分配原理与实用电路的计算,本章要点,