第一章 射频功放设计步骤
非线性发生器NGPin功率放大器PAPout
图1.4 预失真技术原理框图
1.2 选择确定具体线路形式及关键器件
设计方案确定后，就可以根据设计方案选择具体线路形式及关键器件，包括射频放大链路形式选择与控制电路形式选择。
1.2.1 射频放大链路形式与关键器件选择及确定
1.2.1.1 射频放大链路
射频放大链路的形式主要依据整机分配给链路的增益、额定输出功率、增益平坦度、线性度（ACPR/IMD）、功耗/效率等指标来确定。其原理框图形式如图1.5所示：
射频放大链路一般由输入分路、输入取样、压控衰减、多级放大、输出环行器保护、前向取样、反向取样、输出采样等基本电路组成。
其中放大级数取决于链路增益及所选放大器件的增益；前向取样、反向取样、输出采样电路通常采用微带线形式的定向耦合器来完成。
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第一级放大 RF IN衰减器中间级放大末前级放大末级放大环行器RF OUT温度度传传感感器器温前向取样反向取样采样输出输入取样图1.5 射频链路的形式框图
1.2.1.2 功率管的选择原则
依据整机分配给射频放大链路的增益、额定输出功率、增益平坦度、线性度（ACPR/IMD）、功耗/效率等指标，并结合给定的射频放大器的工作频段，选择合适的各级功率管。一般先选定末级功率管，然后再依次逐级选定前面各级功率管，选管的原则是前一级的主要指标（如ACPR）不能引起后一级指标的恶化，更不允许前一级的输出功率大于后一级的输入功率。 1.2.1.3 级联放大器的三阶交调系数与各级IMD3关系
大多数射频功放是由两极或多级放大器组成，级联放大器的IMD3主要取决于末级放大器的IMD3，因为在设计驱动级时一般将其交调失真设计得很低。各放大级的IMD3对整个级联放大器的IMD3的影响可用（3）式来表示。
IMD3= 10log(10d1/10+10d2/10+…10dn/10) （3）
式中IMD3为级联放大器的三阶交调系数，d1、d2、dn为各放大级的三阶交调系数。 由（3）式可知两级放大器的IMD3如（4）所示：
IMD3= 10log(10d1/10+10d2/10) =d2+10log[1+10(d1- d2)/10] （4）
假设两级放大器的三阶交调系数之差的绝对值为A，即A= d1-d2，则驱动级的IMD3对末级的IMD3的影响值B(末级交调恶化值)可用下面的（5）式来表示：
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B=10log[1+10-A/10] （5）
（5）式可转化为图1.6的曲线来表示
B末级交调恶化值 (dB) 3.0 2.7 2.4 2.1 1.8 1.5 1.2 0.9 0.6 0.3 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 A驱动级高出末级交调值(dB)
图1.6 级联放大器中驱动级交调系数对末级交调系数的影响曲线
同样由(5)式可得到不同A值时恶化值B，表1.2所示
表1.2 A 、B对应值
A驱动级优于末级的IMD3(dB) 0 5 10 15 20 B末级交调恶化值(dB) 3 1.2 0.4 0.135 0.043 由图1.6和表1.2可以看出，驱动级优于末级的IMD3越大，则级联放大器的交调系数恶化值越小。上述图表对我们选择级联放大器的驱动级管子具有很大的参考价值。
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1.2.1.4 常用功率管
常用功率管的厂家中，中小功率管厂家有AD、MINI、WJ、Stanford等公司；中大功率管厂家有Motorola、XEMOD、PHLIPS、ERISSON、FUJITSU等公司。
下面列出几种功率管的比较，如表1.3所示。由于LDMOS管子的高增益、高效率和良好的线性特性，以及其较好的性价比，目前在中大功率的射频放大器中LDMOS管被广泛地应用。
表1.3 几种常用功率管比较表
功率管类型 双极型 LDMOS GaAs FET
G/1GHz(dB) 8 11 14 IMD/AB(dBc) -30 -40 -45 (A类回退10 dB) P1dB (W) 150 90 30 价格$/W 0.50 0.70 2.10 1.2.2 控制电路的确定
射频功放中的控制电路一般有两种类型：一种是常用的保护功能的控制电路；一种是消除非线性指标的控制电路。 1.2.2.1 保护功能的控制电路
功放中功率管的价钱都是很贵的，为了在异常情况下功放不被损坏，我们要采取以下措施对
功放进行保护：
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过功率告警保护； 过温告警保护； 驻波告警保护； 器件失效告警保护； 过激励保护； 过流保护；
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该部分电路只需要用单片机和运放器将功放的输入取样、前向取样、反向取样、输出采样、温度取样、电流取样等各种采样信号进行A/D、D/A转换，并将采样信号放大，进而用来控制功放的工作状态，以达到保护功放的目的。 1.2.2.2 消除非线性指标的控制电路
在前馈功放和自适应预失真功放的设计中，为了消除非线性产生的交调分量，需要对各采样点的信号（相位与幅度）信息进行处理，这样就需要信号处理电路中的DSP芯片将各采样信号的信息通过与其内部的算法相结合，获得最佳的控制各环路幅度和相位的控制电压参数，通过控制移相器和衰减器来不断的调整抵消环中的幅度和相位，从而使得功放的线性指标达到要求。
1.3 进行专题实验或一板实验
具体线路形式及关键器件确定之后，在仿真的基础上，进行PCB设计，同时需要结构实验件的要进行配套结构件的设计，通过实验来验证设计方案的可行性，进而转入下一步的详细设计阶段。
1.4 结构设计及PCB详细设计
在各单元板专题实验的基础上，进行各单元板的详细设计，包括各输入/输出接口的具体位置、安装位置等，同时结构设计根据总体结构尺寸及各单元板的尺寸进行结构件的详细设计，设计时要根据总体积、总功耗及给定的风流量进行热设计仿真与分析，进行电磁屏蔽的分析设计，使得结构设计在散热及电磁屏蔽方面达到要求。
1.5 进行可生产性、可测试性的设计与分析
在进行结构设计及PCB详细设计的同时，就要考虑可生产性、可测试性的设计。此时可让生产线工艺人员先期介入，对我们的设计进行可生产性、可测试性的指导，使得在设计初期就把可生产性、可测试性的问题解决好，这样在二板设计中就避免了大的改动，尽量避免三板设计的发生，节省人力、财力和时间，缩短研发周期，及时量产，抢占市场。
总之，射频功放的设计步骤可以归纳为，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；然后根据设计方案选择具体线路形式及关键器件；具体线路形式及关键器件确定之后，在仿真的基础上，进行PCB设计(包括结构实验件的设计)；在各单元板专题实验的基础上，进行各单元板的详细设计与结构件的详细设计(包括热设计与电磁屏蔽，可生产性、可测试性的设计)；根据一板调试情况，结合高低温摸底结果，进行二板改进设计，争取在二板中解决所有问题，尽量避免三板设计的发生。
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