【正文】 ............................................. 29 致謝 ........................................................................................................................... 31 附錄 A：總電路圖 .............................................................................................. 32 附錄 B：參考外文文獻 .................................................................................... 34 附錄 C：參考外文文獻翻譯 .......................................................................... 36 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 1 頁 共 35 頁 1 引言 在現(xiàn)代微波無線通信系統(tǒng)中，信息傳輸正朝著多載波、大容量 、高速度方向迅猛發(fā)展。微波功率放大器是微波通信設(shè)備的重要部件，它的性能在很大程度上影響通信的質(zhì)量。比如，微波功率放大器增益減小，輸出功率下降，則會引起信噪比降低，或是通信距離減小；三階互調(diào)失真大，對時分數(shù)字通信設(shè)備而言，會產(chǎn)生碼間串擾，增大誤碼率；功放的泄漏會造成自激，使工作不穩(wěn)定，嚴重時甚至?xí)雇ㄐ胖袛?。性能?yōu)良的功率放大器，除了要進行精確合理的電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計外，還必須要有良好的生產(chǎn)工藝作保證。 微波功率放大器近年來已廣泛應(yīng)用于雷達、電子對抗、廣播電視等領(lǐng)域，它具有體積小、重量輕、耗電少、可靠性高、相位特 性好的優(yōu)點，且一般都在 50歐姆的微帶線上進行調(diào)試。 作為功率放大器，應(yīng)該有較大的輸出功率和較高的效率，同時也要滿足帶寬、增益和穩(wěn)定性的要求。由于功率放大器處在大信號狀態(tài)，放大過程中難免產(chǎn)生非線性失真，在設(shè)計中必須著重考慮。因此，設(shè)計一功率放大器的關(guān)鍵是合理的選擇功放管、正確確定工作狀態(tài)、精心設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)和選擇合適的電路等等。 本文的工作就是進行微波功率放大器的優(yōu)化和設(shè)計。其中，第二章介紹了微波功率放大器的非線性特性和各種常用線性化技術(shù)的基本原理；第三章介紹了微波功率放大器的設(shè)計原理；本文的第四章首先敘述了 ，然后用 ADS 軟件進行優(yōu)化仿真，并對所設(shè)計的放大器進行加工制作，最后實驗調(diào)試。 按照所給定的指標要求，本文研究的功率放大器預(yù)期達到以下技術(shù)指標： 工作頻率： 945 MHz 駐波比 ： VSWR2 功率增益： ? 16dB 效 率： 40% 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 2 頁 共 35 頁 2 微波功率放大器的非線性特性 當微 波功率放大器工作在大信號情況時，其幅度和相位特性的非線性會引起信號失真，產(chǎn)生互調(diào)和相位噪聲 [1]。 單級功率放大器的非線性分析 假設(shè)有一功率放大器，該放大器具有非線性，其輸入、輸出特性如圖所示。 其輸出電壓可以輸入電壓的冪級數(shù)表示，即 ????? 33221 iiio ekekeke (21) wtAei cos? (22) 則 0e 變?yōu)? wtAkwtAkwtAkAkAke 3c os412c os21c os)43(21 3322331220 ????? (23) 那么基波功率 0P 為 RAkAkP32331010243????????????? ?? (mW) (24) 輸入功率 iP 為 RAPi32 102 ???????? (mW) (25) 定義增益 G為 )43lg (20 231 AkkPPG io ??? (26) 定義線性增益 0G 為 1lg20 kGo ? (27) 那么 1dB壓縮點增益 1G 為 101 ??GG Pout Pin 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 共 35 頁 利用上式可求得 312 kkA ? (k30) (28) 把（ 21P 8）式代入（ 24）求出 1dB壓縮點功率 3311 ?? kkP (29) 時當 )c os(c os2 21 twtwAe i ?? (210) 則（ 21）式變成 ? ?? ? ? ?? ? ]3c o s3[ c o s281)2c o s ()2c o s (2832c o s2c o s41)2c o s ()2c o s (283c o sc o s892])c o s ()[ c o s (2121213312213321221221332123121212222twtwAktwwtwwAktwtwAktwwtwwAktwtwAkkAtwwtwwAkAke o??????????????????? ??????? (211) 由上式可見放大器輸入、輸出頻譜如圖 22所示，從圖 22可以看出，非線性放大器會產(chǎn)生許多雜散頻率，其中 12212121 2222 ww ??? 、 在頻帶外 ,而1221 22 w ?? 、 在頻帶內(nèi)，即為交調(diào)產(chǎn)物。 放大器線性部分的延長線與三次交調(diào)產(chǎn)物線性部分延長線相交點的輸出功率為截斷點IP ，該點是衡量放大器線性的一個參數(shù)。如圖 23所示。 設(shè)兩個三次交調(diào)產(chǎn)物功率和為3P，兩個基波線性輸出功率和為 LP ，兩基波輸出功率和為 oP ，兩基波輸入功率和為 iP ，則 RAkkAP o32231 10)89(22 ??????? ?? (mW) (212) RkAPL 321 10)2(2 ?? (mW) (213) RAkP 32333 10)163(2 ?? (mW) (214) RAPi 32 10)2(2 ?? (mW) (215) 令 LPP?3 ，得 312 38kkA ? ，代入（ 213）式 則 ?? PPI （ dBm） (216) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 共 35 頁 由上述關(guān)系還可以導(dǎo)出 321 LI PPP ? (217) 整理（ 212）式可得 081 )(1916)( 3312231223132 ???? kkyAkkAkkA (218) 式中 )( ??? Io PPy (219) 解（ 218）式得 ?????? ??? 32c os12716 312 ?? jkkA （ j=0,1,2） (220) 上式成立條件為 1PPO? 。 當 1PPO? 時，312 kkA ? ，并以此為據(jù)從（ 220）式中選取合適的解，其中 cos? = (221) 令 ?????? ??? 32c os12716 ?? jM 則 312 kkMA ? (222) 將（ 222）式代入（ 212）、（ 213）式，得 ??? MPPL （ dBm） (223) 2)891lg (10 MPPLo ??? （ dBm） (224) 將（ 223）、（ 216）式代入（ 217）式得 8lg203 ??? MMIM （ dB） (225) 這樣，利用（ 219）、（ 221）、（ 222）、（ 225）式即可求出放大器的交調(diào)。 為了消除微波功率放大器的非線性失真，必須采用一些可靠的線性化技術(shù)。提高放大器線性度最簡單的方法是將放大器工作在甲類，并降低工作電 平，直到得到所要求的線性度，即功率回退法 。 目前主流的線性化技術(shù)主要有三大類，即反饋技術(shù)、前饋技術(shù)與預(yù)失真技術(shù)，下面就簡單介紹一下這些技術(shù)的原理。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 共 35 頁 將 RF 輸出信號直接反饋到輸入端，通過反饋來達到對 IM 產(chǎn)物的抑制，即 RF 直接反饋法，常用于低功率放大器，其應(yīng)用受到工作頻率和輸出功率的很大限制，反饋環(huán)上的有限時延限制了帶寬 [2]，而且，這種方法難以實現(xiàn)多級反饋。在更高電平上，反饋網(wǎng)絡(luò)耗散很大，不得不使用高功率電阻，增加了成本和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。 前饋技術(shù) [35]比反饋技術(shù)提出的 早，是一種寬帶線性化技術(shù)。前饋技術(shù)基本原理是通過將主功率放大器產(chǎn)生的失真信號樣本前饋到放大器輸出端，來大量抵消放大器輸出端的失真信號。 預(yù)失真技術(shù) 預(yù)失真技術(shù) [6]是一項通過產(chǎn)生輸入信號的互補信號，來消除 RF功放的非線性失真的線性化技術(shù)。在 TV發(fā)射機（中頻預(yù)失真）及 TWT放大器（ RF預(yù)失真）中已經(jīng)成功地運用預(yù)失真技術(shù)來校正三階交調(diào)失真。 一般說來，各種線性化方法大體都可以歸成兩大類 [7]，即開環(huán)或閉環(huán)技術(shù)。各種反饋等都可看成是閉環(huán)系統(tǒng)，它們具有很高的線性化能力，可以在滿足一定頻譜抑制的同時，得到較 好的功率輸出和效率，但由于受到調(diào)制帶寬的嚴重限制，通常局限在單載波系統(tǒng)的設(shè)計中。預(yù)失真技術(shù)則可看成開環(huán)系統(tǒng)，它沒有閉環(huán)系統(tǒng)的校正精度，但它能夠處理的多載波信號調(diào)制帶寬非常寬，也不存在制約閉環(huán)系統(tǒng)固有的穩(wěn)定性問題。并且其實現(xiàn)簡單，成本較低，適合于在便攜式系統(tǒng)等要求廉價且容量大的通信系統(tǒng)中使用。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 共 35 頁 3 微波放大器的基本原理 在微波放大器的設(shè)計中，從原則上講都是希望提高放大器的增益。為使放大器能可靠地工作．防止自激也是設(shè)計成敗的關(guān)鍵所在。所以增益和穩(wěn)定性在放大器的沒計中都是 著重需要考慮的問題，這兩個問題都有普遍意義。噪聲在微波放大器的設(shè)計中是力求避免的，盡管在有的放大器的設(shè)計中不是主要考慮的技術(shù)參數(shù)，但也是性能優(yōu)良為上，是放大器設(shè)計中值得重視的問題。微波放大器設(shè)計都要設(shè)計輸入、輸出匹配電路，所以在本章后面對輸入、輸也匹配網(wǎng)絡(luò)的幾種主要形式進行了研究。 微波放大器 增益包括實際功率增益、資用功率增益、傳輸功率增益。增益 中的參數(shù)在晶體管這個二端口網(wǎng)絡(luò)中的含義如圖 2l所示。 (1) 實際功率增益 ? ?21122222111LLLinL SS SPPG ?????? ???? 21122211 SSSS ??? 其中 PL是負載吸收功率，即實際到達負載的功率， Pin是送進微波放大器輸入 端的功率， L? 是負載反射系數(shù)， S1 S2 S1 S2l是功率管的 S參數(shù)，以下相 同。從中可見實際功率增益只與功率管 S參數(shù)和 負載阻抗有關(guān)，而與輸入端口 的匹配程度無關(guān)。應(yīng)用式 (21)便于研究負載變化對功率放大器的影響。 (2) 資用功率