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第一章 射频功放设计步骤
第一章 射频功放设计步骤
射频功放设计一般分为五个步骤进行，分别为：制定设计方案、选择与确定具体线路形式及关键器件、进行专题实验或一板的实验、结构设计及PCB详细设计、进行可生产性与可测试性设计和分析。
1.1 定设计方案
在进行射频功放设计时，我们首先要根据给定（或需要）的技术指标和功能指标制定设计方案。制定设计方案的主要依据是指标要求中的额定输出功率、线性度（ACPR/IMD）、载波数、功耗/效率等指标。
1.1.1 GSM及PHS基站系统
在GSM及PHS基站系统中，由于对线性度要求不是很高或者额定输出功率不是很大，且在单载波情况下工作，所以我们选择通用的射频功放设计方案——功率回退法（高功放HPA）。
构成HPA放大器一般有两种工作状态：A类及AB类工作状态。A类放大器具有良好的线性放大性能，其三阶交调系数与输出功率的变化关系是：输出信号功率减小3dB（即减小一半功率），则三阶交调抑制改善6dB。一般来讲，A类放大器在1dB压缩点输出时，三阶交调系数约为－23.7dB (通常取－20dB)。为了达到一定的线性，并考虑到工程问题，A类放大器需回退15dB，此时放大器的三阶交调抑制可以达到－45～－50dBc。然而使用A类放大器的最大缺点是效率低及成本较高。这是因为实际应用中A类放大器在它的1dB压缩点输出功率时，其效率只有10％。比如，完成一个30W平均输出功率的HPA，就需要至少有300W的耗电，并且工作电流随输出功率变化的值不大。若考虑回退12dB，则需要有480W平均功率输出，需耗电4.8kW。为了达到30W的输出功率需要用较多的功率管。这样就加大了HPA的成本和体积，增大了研制成本和难度。为了避免这个问题，建议在小功率放大器(平均功率输出?1W)设计中使用A类放大器；在中大功率放大器(平均功率输出>1W)设计中使用AB类放大器。
AB类放大器的特点是效率高、成本低。由于单管的输出功率高，仅需少量的功率管即可做到较高的输出功率，所以成本较低，且散热和结构设计可以简单化。目前用在AB类的管子主要选LDMOS
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管，AB类放大器用最大包络功率PEP来描述其功率容量，类似A类的1dB压缩点。偏置在AB类的LDMOS放大器，在PEP处的互调抑制为28dBc，回退3dB时互调抑制接近40dBc，继续回退，改善不大。回退10dB时效率约为15%。
总之功率回退法的优点是简单、易实现，缺点是受功率管P1dB限制。
A类放大器的三阶交调系数IMD3、三阶交截点IP3及输出功率Pout的关系见(1)式
IMD3(dBc)=2? IP3 (dBm)-Pout(dBm)? A类放大器的1dB压缩点P1dB与其三阶交截点IP3的关系曲线图见图1.1、图1.2。
图1.1 A类放大器的1dB压缩点P1dB曲线
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第一章 射频功放设计步骤
图1.2 A类放大器的1dB压缩点P1dB与其三阶交截点IP3的关系曲线
AB类放大器不适用于上述两个曲线，具体可参考所选定的功率管厂家给出的IMD或ACPR曲线。
1.1.2 CDMA及WCDMA基站系统
在CDMA及WCDMA基站系统中，由于CDMA技术是随机包络的宽带信道，交调失真的影响产生频谱再生效应，所以对线性度要求很高，加之额定输出功率较大，且在多载波情况下工作，因此我们选择前馈法或自适应预失真的设计方案进行射频功放的设计，至于选用哪一种方案，设计人员应根据实际情况来确定。
下面将前馈及预失真技术的优缺点做一简单比较，如表1.1所示(这两种技术的详细介绍请参考后面的专题)。
表1.1 前馈及预失真技术比较
线路技术 前馈 矫正能力 20~30dB 带宽 >25MHz 优点 改善线性最好，带宽最宽 缺点 线路结构复杂，改善量受制于控制电路对两个环路的增益及相位的处理能力，受制于?G、?? 预失真 3~7dB >25MHz 简单，微波段和中频段均能实现 自适应预失真 10~20dB 10~15 MHz 微波段和中频段均能实现
1.1.2.1 前馈放大器
前馈放大器原理如图1.3所示。
较复杂 中 矫正能力有限 低 相对成本 高
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PinC1主放大器延迟D1（移相）Pout?G/??调节C2C4环路2：交调对消环路1：载波对消C3延迟D2（移相）?G/??调节误差放大器 图1.3 前馈放大器原理框图
在图1.3中，由耦合器C1、C2、C3、移相电路D2及主放大器组成环路1，其作用是为了消除放大器的载频信号功率，提取误差信号；由耦合器C2、C3、C4，移相电路D1及误差放大器组成的环路2是为了消除主放大器非线性产生的交调分量，改善功放的线性度。
前馈技术交调改善如（2）式所示：
ΔIM=-10log|1+10
ΔG/10
-2×10
ΔG/20
cosΔΦ| （2）
式中：ΔIM=交调改善值，单位为dB ΔG=抵消输入幅度误差，单位为dB ΔΦ=相位误差，单位为度
当ΔG≤0.25dB、ΔΦ≤2o时，改善效果理论上可以达到30dB。另外前馈方案对每对对消通道在工作频带内的增益平坦度和相位平坦度的要求是比较严的，而增益和相位容易受到温度、电压、功率等因素的影响，实际的改善效果与理论值会有一定的差距。 1.1.2.2 预失真技术
预失真技术是利用非线性发生器产生一个失真信号，耦合到功率放大器的输入端，抵消功率放大器的非线性失真，其框图如图1.4所示。预失真技术在国外线性功放中普遍采用，国内在一些无线系统的中频中也采用预失真技术，因此该技术是可行的。
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