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中心动态 >> 幸运彩票3550APP-射频功率放大器(RF PA)

根本概念

射频功率扩展器(RF PA)是发射体系中的首要部分,其重要性显而易见。在发射机的前级电路中,调制振荡电路所发生的射频信号功率很小,需求经过一系列的扩展(缓冲级、中心扩展级、末级功率扩展级)取得满足的射频功率今后,才干馈送到天线上辐射出去。为了取得满足大的射频输出功率,有必要选用射频功率扩展器。在调制器发生射频信号后,射频已调信号就由RF PA将它扩展到满足功率,经匹配网络,再由天线发射出去。

扩展器的功用,行将输入的内容加以扩展并输出。输入和输出的内容,咱们称之为“信号”,往往表明为电压或功率。关于扩展器这样一个“体系”来说,它的“奉献”便是将其所“吸收”的东西进步必定的水平,并向外界“输出”。假如扩展器可以有好的功能,那么它就可以奉献更多,这才体现出它自身的“价值”。假如扩展器存在着必定的问题,那么在开端作业或许作业了一段时刻之后,不光不能再供给任何“奉献”,反而有或许呈现一些不期然的“震动”,这种“震动”关于外界仍是扩展器自身,都是灾难性的。

射频功率扩展器的首要技能目标是输出功率与功率,怎么进步输出功率和功率,是射频功率扩展器规划方针的中心。一般在射频功率扩展器中,可以用LC谐振回路选出基频或某次谐波,完成不失真扩展。除此之外,输出中的谐波重量还应该尽或许地小,以防止对其他频道发生搅扰。

分类

依据作业状况的不幸运彩票3550APP-射频功率放大器(RF PA)同,功率扩展器分类如下:

传统线性功率扩展器的作业频率很高,但相对频带较窄,射频功率扩展器一般都选用选频网络作为负载回路。射频功率扩展器可以依照电流导通角的不同,分为甲(A)、乙(B)、丙(C)三类作业状况。甲类扩展器电流的导通角为360,适用于小信号低功率扩展,乙类扩展器电流的导通角等于180,丙类扩展器电流的导通角则小于180。乙类和丙类都适用于大功率作业状况,丙类作业状况的输出功率和功率是三种作业状况中最高的。射频功率扩展器大多作业于丙类,但丙类扩展器的电流波形失真太大,只能用于选用调谐回路作为负载谐振功率扩展。因为调谐回路具有滤波才能,回路电流与电压依然接近于正弦波形,失真很小。

开关型功率扩展器(Switching Mode PA,SMPA),使电子器材作业于开关状况,常见的有丁(D)类扩展器和戊(E)类扩展器,丁类扩展器的功率高于丙类扩展器。SMPA将有源晶体管驱动为开关形式,晶体管的作业状况要么是开,要么是关,其电压和电流的时域波形不存在交叠现象,所以是直流功耗为零,抱负的功率能到达100%。

传统线性功率扩展器具有较高的增益和线性度但功率低,而开关型功率扩展器具有很高的功率和高输出功率,但线性度差。详细见下表:

电路组成

扩展器有不同类型,简化之,扩展器的电路可以由以下几个部分组成:晶体管、偏置及安稳电路、输入输出匹配电路。

1、晶体管

晶体管有许多种,包含当时还有多种结构的晶体管被创造出来。本质上,晶体管的作业都是体现为一个受控的电流源或电压源,其作业机制是将不含内容的直流的能量转化为“有用的”输出。直流能量乃是从外界取得,晶体管加以耗费,并转化成幸运彩票3550APP-射频功率放大器(RF PA)有用的成分。不同的晶体管不同的“才能”,比方其承受功率的才能有差异,这也是因为其能获取的直流能量的才能不同所形成的;比方其反响速度不同,这决议它能作业在多宽多高的频带上;比方其面向输入、输出端的阻抗不同,及对外的反响才能不同,这决议了给它匹配的难易程度。

2、偏置电路及安稳电路

偏置和安稳电路是两种不同的电路,但因为他们往往很难区别,且规划方针趋同,所以可以放在一同评论。

晶体管的作业需求在必定的偏置条件下,咱们称之为静态作业点。这是晶体管安身的底子,是它自身的“定位”。每个晶体管都给自己进行了必定的定位,其定位不同将决议了它自身的作业形式,在不同的定位上也存在着不同的功能体现。有些定位点上崎岖较小,适合于小信号作业;有些定位点上崎岖较大,适合于大功率输出;有些定位点上讨取较少,开释朴实,适合于低噪声作业;有些定位点,晶体管总是在饱满和到之间徜徉,处于开关状况。一个恰当的偏置点,是正常作业的础。在规划宽带功率扩展器时,或作业频率较高时,偏置电路对电路功能影响较大,此刻应把偏置电路作为匹配电路的一部分考虑。

偏置网络有两大类型,无源网络和有源网络。无源网络(即自偏置网络)一般由电阻网络组成,为晶体管供给适宜的作业电压和电流。它的首要缺陷是对晶体管的参数改变十分灵敏,并且温度安稳性较差。有源偏置网络能改进静态作业点的安稳性,还能进步杰出的温度安稳性,但它也存在一些问题,如添加了电路尺度、添加了电路排版的难度以及添加了功率耗费。

安稳电路必定要在匹配电路之前,因为晶体管需求将安稳电路作为自身的一部分存在,再与外界触摸。在外界看来,加上安稳电路的晶体管,是一个“全新的”晶体管。它做出必定的“献身”,取得了安稳性。安稳电路的机制可以保证晶体管顺利而安稳的作业。

3、输入输出匹配电路

匹配电路的意图是在挑选一种承受的办法。关于那些想供给更大增益的晶体管来说,其途径是全盘的承受和输出。这意味着经过匹配电路这一个接口,不同的晶体管之间交流愈加顺利,关于不同种的扩展器类型来说,匹配电路并不是只需“幸运彩票3550APP-射频功率放大器(RF PA)全盘承受”一种规划办法。一些直流小、根基浅的小型管,更愿意在承受的时分做必定的阻挠,来获取更好的噪声功能,但是不能阻挠过了头,否则会影响其奉献。而关于一些巨型功率管,则需求在输出时谨言慎行,因为他们更不安稳,一起,必定的保存有助于他们发挥出更多的“不歪曲的”能量。

典型的阻抗匹配网络有L匹配、形匹配和T形匹配。其间L匹配,其特色便是结构简略且只需两个自由度L和C。一旦确认了阻抗改换比率和谐振频率,网络的Q值(带宽)也就确认了。形匹配网络的一个长处便是不论什么样的寄生电容,只需连接到它,都可以被吸到网络中,这也导致了形匹配网络的遍及运用,因为在许多的实际状况中,占分配位置的寄生元件是电容。T形匹配,当电源端和负载端的寄生参数首要呈电感性质时,可用T形匹配来把这些寄生参数吸收入网络。

保证射频PA安稳的完成办法

每一个晶体管都是潜在不安稳的。好的安稳电路可以和晶体管交融在一同,构成一种“可持续作业”的形式。安稳电路的完成办法可划分为两种:窄带的和宽带的。

窄带的安稳电路是进行必定的增益耗费。这种安稳电路是经过添加必定的耗费电路和挑选性电路完成的。这种电路使得晶体管只能在很小的一个频率规模内奉献。别的一种宽带的安稳是引进负反应。这种电路可以在一个很宽的规模内作业。

不安稳的本源是正反应,窄带安稳思路是遏止一部分正反应,当然,这也一起按捺了奉献。而负反应做得好,还有发生许多额定的令人欢喜的长处。比方,负反应或许会使晶体管免于匹配,既不需求匹配就可以与外界很好的接洽了。别的,负反应的引进会进步晶体管的线性功能。

射频PA的功率进步技能

晶体管的功率都有一个理论上的极限。这个极限随偏置点(静态作业点)的挑选不同而不同。别的,外围电路规划得欠好,也会大大下降其功率。现在工程师们关于功率进步的办法不多。这儿仅讲两种:包络盯梢技能与Doherty技能。

包络盯梢技能的本质是:将输入别离为两种:相位和包络,再由不同的扩展电路来别离扩展。这样,两个扩展器之间可以专心的担任其各自的部分,二者合作可以到达更高的功率运用的方针。

Doherty技能的本质是:选用两只同类的晶体管,在小输入时仅一个作业,且作业在高效状况。假如输入增大,则两个晶体管一起作业。这种办法完成的根底是二只晶体管要合作默契。一种晶体管的作业状况会直接的决议了另一支的作业功率。

射频PA面对的测验应战

功率扩展器是无线通讯体系中十分重要的组件,但他们自身对错线性的,因而会导致频谱增生现象而搅扰到附近通道,并且或许违背法则强制规则的带外(out-of-band)放射规范。这个特性甚至会形成带内失真,使得通讯体系的误码率(BER)添加、数据传输速率下降。

在峰值平均功率比(PAPR)下,新的OFDM传输格局会有更多偶发的峰值功率,使得PA不易被切割。这将下降频谱屏蔽相符性,并扩展整个波形的EVM及添加BER。为了处理这个问题,规划工程师一般会故意下降PA的操作功率。很可惜的,这对错常没有功率的办法,因为PA下降10%的操作功率,会损失掉90%的DC功率。

如今大部分的RF PA皆支撑多种形式、频率规模及调制形式,使得测验项目变得更多。数以千计的测验项目已不稀罕。波峰因子消减(CFR)、数字预失真(DPD)及包络盯梢(ET)等新技能的运用,有助于将PA效能及功率功率优化,但这些技能只会使得测验愈加杂乱,并且大幅延伸规划及测验时刻。添加RF PA的带宽,将导致DPD丈量所需的带宽添加5倍(或许超越1 GHz),形成测验杂乱性进一步升高。

依趋势来看,为了添加功率,RF PA组件及前端模块(FEM)将更严密整合,而单一FEM则将支撑更广泛的频段及调制形式。将包络盯梢电源供应器或调制器整合入FEM,可有效地削减移动设备内部的全体空间需求。为了支撑更大的操作频率规模而很多添加滤波器/双工器插槽,会使得移动设备的杂乱度和测验项意图数量节节攀升。

半导体资料的变迁:

Ge(锗)、Si(硅)→→→GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)→→→SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)、SiGe(锗化硅)、SOI(绝缘层上覆硅) →→→碳纳米管(CNT) →→→石墨烯(Graphene)。

现在功率扩展器的干流工艺依然是GaAs工艺。别的,GaAs HBT,砷化镓异质结双极晶体管。其间HBT(heterojunction bipolar transistor,异质结双极晶体管)是一种由砷化镓(GaAs)层和铝镓砷(AlGaAs)层构成的双极晶体管。

CMOS工艺尽管现已比较老练,但Si CMOS功率扩展器的运用并不广泛。本钱方面,CMOS工艺的硅晶圆尽管比较廉价,但CMOS功放地图面积比较大,再加上CMOS PA杂乱的规划所投入的研制本钱较高,使得CMOS功放全体的本钱优势并不那么显着。功能方面,CMOS功率扩展器在线性度,输出功率,功率等方面的功能较差,再加上CMOS工艺固有的缺陷:膝点电压较高、击穿电压较低、CMOS工艺基片衬底的电阻率较低。

碳纳米管(CNT)因为具有物理尺度小、电子搬迁率高,电流密度大和本征电容低一级特色,人们认为是纳米电子器材的抱负资料。

零禁带半导体资料石墨烯,因为具有很高的电子搬迁速率、纳米数量级的物理尺度、优异的电功能以及机械功能,必将成为下一代射频芯片的抢手资料。

射频PA的线性化技能

射频功率扩展器的非线性失真会使其发生新的频率重量,如关于二阶失真会发生二次谐波和双音拍频,关于三阶失真会发生三次谐波和多音拍频。这些新的频率重量如落在通带内,将会对发射的信号形成直接搅扰,假如落在通带外将会搅扰其他频道的信号。为此要对射频功率扩展器的进行线性化处理,这样可以较好地处理信号的频谱再生问题。

射频功放根本线性化技能的原理与办法不外乎是以输入RF信号包络的振幅和相位作为参阅,与输出信号比较,然后发生恰当的校对。现在己经提出并得到广泛运用的功率扩展器线性化技能包含,功率回退,负反应,前馈,预失真,包络消除与康复(EER),运用非线性元件进行线性扩展(LINC) 。较杂乱的线性化技能,如前馈,预失真,包络消除与康复,运用非线性元件进行线性扩展,它们对扩展器线性度的改进作用比较好。而完成比较简略的线性化技能,比方功率回退,负反应,这几个技能对线性度的改进就比较有限。

1、功率回退

这是最常用的办法,即选用功率较大的管子作小功率管运用,实际上是以献身直流功耗来进步功放的线性度。

功率回退法便是把功率扩展器的输入功率从1dB紧缩点幸运彩票3550APP-射频功率放大器(RF PA)(扩展器有一个线性动态规模,在这个规模内,扩展器的输出功率随输入功率线性添加。跟着输入功率的持续增大,扩展器逐渐进入饱满区,功率增益开端下降,一般把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值界说为输出功率的1dB紧缩点,用P1dB表明。)向后回退6-10个分贝,作业在远小于1dB紧缩点的电平上,使功率扩展器远离饱满区,进入线性作业区,然后改进功率扩展器的三阶交调系数。一般状况,当基波功率下降1dB时,三阶交调失真改进2dB。

功率回退法简略且易完成,不需求添加任何附加设备,是改进扩展器线性度卓有成效的办法,缺陷是功率大为下降。别的,当功率回退到必定程度,当三阶交调制到达-50dBc以下时,持续回退将不再改进扩展器的线性度。因而,在线性度要求很高的场合,完全赖功率回退是不行的。

2、预失真

预失真便是在功率扩展器前添加一个非线性电路用以补偿功率扩展器的非线性失真。

预失真线性化技能,它的长处在于不存在安稳性问题,有更宽的信号频带,可以处理含多载波的信号。预失真技能本钱较低,由几个细心选取的元件封装成单一模块,连在信号源与功放之间,就构成预失真线性功放。手持移动台中的功放已选用了预失真技能,它仅用少数的元件就下降了互调产品几dB,但却是很要害的几dB。

预失真技能分为RF预失真和数字基带预失真两种根本类型。RF预失真一般选用模仿电路来完成,具有电路结构简略、本钱低、易于高频、宽带运用等长处,缺陷是频谱再生重量改进较少、高阶频谱重量抵消较困难。

数字基带预失真因为作业频率低,可以用数字电路完成,适应性强,并且可以经过添加采样频率和增很多化阶数的办法来抵消高阶互调失真,是一种很有发展前途的办法。这种预失真器由一个郭伯权职务有变矢量增益调理器组成,依据查找表(LUT)的内容来操控输入信号的起伏和相位,预失真的巨细由查找表的输入来操控。矢量增益调理器一旦被优化,将供给一个与功放相反的非线性特性。抱负状况下,这时输出的互调产品应该与双音信号经过功放的输出起伏持平而相位相反,即自适应调理模块便是要调理查找表的输入,然后使输入信号与功放输出信号的不同最小。注意到输入信号的包络也是查找表的一个输入,反应途径来取样功放的失真输出,然后经过A/D改换送入自适应调理DSP中,然后来更新查找表。

3、前馈

前馈技能幸运彩票3550APP-射频功率放大器(RF PA)起源于"反应",应该说它并不是什么新技能,早在二三十年代就由美国贝尔实验室提出来的。除了校准(反应)是加于输出之外,概念上完全是"反应"。

前馈线性扩展器经过耦合器、衰减器、合成器、延时线、功分器等组成两个环路。射频信号输入后,经功分器分红两路。一路进入主功率扩展器,因为其非线性失真,输出端除了有需求扩展的主频信号外,还有三阶交调搅扰。从主功放的输出中耦合一部分信号,经过环路1抵消扩展器的主载频信号,使其只剩下反相的三阶交调重量。三阶交调重量经辅佐扩展器扩展后,经过环路2抵消主扩展器非线性发生的交调重量,然后了改进功放的线性度。

前馈技能既供给了较高校准精度的长处,又没有不安稳和带宽受限的缺陷。当然,这些长处是用高本钱幸运彩票3550APP-射频功率放大器(RF PA)换来的,因为在输出校准,功率电平较大,校准信号需扩展到较高的功率电平,这就需求额定的辅佐扩展器,并且要求这个辅佐扩展器自身的失真特性应处在前馈体系的目标之上。

前馈功放的抵消要求是很高的,需取得起伏、相位和时延的匹配,假如呈现功率改变、温度改变及器材老化等均会形成抵消失灵。为此,在体系中考虑自适应抵消技能,使抵消可以跟得上表里环境的改变。



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