射频功率放大器模块的设计与实现.docx

射频功率放大器模块的设计与实现摘要：提出了功率放大器设计中的两个关键问题，结合GSM直放站功率放大器模块的工程实例，详细分析了该功率放大器模块的设计过程。最后给出该模块样机的实测结果，进一步验证了设计方法的有效性。
关键词：功率放大器;射频电路;线性化
引言
随着现代数字移动通信技术的蓬勃发展，用户对无线通信设备的性能要求越来越高，实现在各种环境中的稳定、高速的数据传输是未来移动通信系统研究者的主要目标之一。射频功率放大器是发射机的末级，它将已调制的频带信号放大到所需要的功率，保证在覆盖区域内的接收机可以收到满意的信号电平，但不能过于干扰相邻信道的通信，同时又要尽量地保持放大后的大功率信号不失真畸变。这些不同方面的要求使得功率放大器的设计者要面面俱到地考虑到很多指标的平衡，功率放大器的设计也成为无线通信系统设计过程中的关键步骤之一。
功率放大器设计中的两个重要问题
电路设计中的电磁兼容(EMC)措施射频电路工作在很高的频率上，在元件引脚或者电路引线上会产生一定的寄生参量。而射频功率放大器中，在高功率、大电流的环境下，寄生参量对于系统的影响大大增加，另外，引线电感及走线电感等又是引起高频辐射干扰的重要因素，这些功率不小的电磁干扰(EMI)可能会使功率放大器本身、电源部分或者系统的其他部分的性能大幅下降，很多情况下会直接影响系统的多项主要指标。
为了尽可能减小电磁干扰的影响，需要在电路设计及PCB设计中采取电磁兼容(EMC)措施，这样做也能有效地减少后期调试工作量，增加产品的可靠性和一致性，提高产品性能。
我们在工程中采取的措施主要有：电源线应尽量粗，器件电源或偏置网络都应该多加去耦电容和扼流电感，并选用高频性能好的器件，从而增加电源的稳定性，减少电源波动对于器件的影响；PCB设计要合理布局，功率放大器部分应该与其他低功率或者数字部分尽量远离，并在中间加装金属隔条、屏蔽罩或微波吸附材料，避免功率放大器与其他部分的相互辐射干扰；PCB设计中，在无元件、线路经过的位置多加保护地，并多加金属化通孔造成多点接地；射频走线尽量短，严格控制线头、引脚长度，匹配网络应尽量靠近需要匹配的器件，等等。实践证明，这些措施都能够很好地减少电磁干扰，改善电路性能。
功率放大器的线性化线性度是射频功率放大器的一个非常重要的指标，在移动通信设备中，功率放大器的非线性失真往往会造成信号畸变失真以及引起邻道干扰。所以，移动通信设备对功率放大器的线性度提出了很高的要求。
功率放大器非线性失真特性主要有两种：第一种为非线性的增益特性，即输出信号与输入信号的功率之间不是线性关系，对应于单频信号的输入，将会产生谐波失真；而对于双频信号的输入，除谐波外，还会产生交调分量，引起交调失真；另一种为非线性的相移特性，即输入输出的相位差随功率不同而改变，结果会产生调幅/调相(AM/PM)效应。这两种非线性对于采用非恒包络调制方式的数字移动通信系统，不但会产生带内失真，还会产生带外频率扩展，引起对邻近信道的干扰。
一般对功率放大器的线性度的衡量有谐波抑制度、三阶交调抑制度等指标：当放大器输入载波频率为f0的单频信号时，由于器件的非线性失真，会产生频率为mf0(m为自然数)的谐波，如图1(a)所示，谐波输出功率与基波输出功率之差即为谐波抑制度；当放大器输入频率间隔不大、载波频率分别为f1和f2的信号时，在放大器输出端除了载波频率为f1和f2的信号外，还形成了频率为±mf1±nf2(m、n均为自然数)的交调产物，如图1(b)所示，其中频率为2f1-f2和2f2-f1的两个频率分量功率最大，称为三阶交调产物，三阶交调产物与输出载波的功率之差即为功率放大器的三阶交调抑制度。三阶交调产物频率非常靠近所用的载频f1和f2，一般无法通过滤波等方式消除，只能在放大器的设计过程中加以改善。因此，抑制三阶交调产物，提高三阶交调抑制度是提高功率放大器线性度的重点。

图1功率放大器的非线性失真
目前国内外对于射频功率放大器的线性化技术已经进行了大量的研究工作，研究热点主要集中在前馈法、预失真法、负反馈法等几种新技术上。随着DSP、FPGA等技术的快速发展，这几种功放线性化技术必将逐渐完善、普及而成为未来的发展方向，但由于目前成本和技术的原因，应用尚不广泛，鉴于篇幅在此就不作详述。在实际工程中，功率回退法这种简单有效的技术一直有着十分广泛的应用，下文提到的GSM直放站功率放大器模块就采用了功率回退法来改善线性度。
功率回退法即选用功率较大的放大管作小功率用途，牺牲直流功耗来提高功放的线性度，具体来说就是把功率放大器的输入功率从1dB压缩点向后回退一些，工作在远小于1dB压缩点的功率上，使功率放大器脱离饱和区，进入线性工作区，从而改善放大器的线性度。这种方法的优势在于简单易行，不需要增加任何附加设备，且可靠