射頻功率放大器RF PA的基礎知識

身為射頻工程師，工作多多少少都會涉及到功率放大器。功率放大器可以說是很多射頻工程師繞不過的坎。功能、分類、性能指標、電路組成、效率提升技術、發展趨勢……關于射頻功率放大器，該知道的你都知道么?快來補補課吧!

RF PA的兩個關鍵指標：功率和線性

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在RF功率放大器中，功效(PAE)定義為輸出信號功率與輸入信號功率之差與直流電源功耗的比值，即:

PAE = (PRFOUT - PRFIN)/PDC = (PRFOUT - PRFIN)/(VDC*IDC)

射頻功率放大器RF PA的功能

射頻功率放大器RF PA是發射系統中的主要部分，其重要性不言而喻。在發射機的前級電路中，調制振蕩電路所產生的射頻信號功率很小，需要經過一系列的放大 一緩沖級、中間放大級、末級功率放大級，獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。功 率放大器往往是固定設備或終端的最昂貴、最耗電、效率最低的器件。

在調制器產生射頻信號后，射頻已調信號就由RFPA將它放大到足夠功率，經匹配網絡，再由天線發射出去。

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圖1 發射系統框圖

放大器的功能，即將輸入的內容加以放大并輸出。輸入和輸出的內容，我們稱之為“信號”，往往表示為電壓或功率。對于放大器這樣一個“系統”來說，它的“貢 獻”就是將其所“吸收”的東西提升一定的水平，并向外界“輸出”。這一“提升的貢獻”，即為放大器存在的“意義”所在。如果放大器能夠有好的性能，那么它 就可以貢獻更多，這才體現出它自身的“價值”。如果放大器的初始“機制設計”存在著一定的問題，那么在開始工作或者工作了一段時間之后，不但不能再提供任 何“貢獻”，反而有可能出現一些不期然的“震蕩”，這種“震蕩”，對于外界還是放大器自身，都是災難性的。

射頻功率放大器RF PA的分類

根據工作狀態的不同，功率放大器分類如下：

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圖2 功率放大器的分類

射頻功率放大器的工作頻率很高，但相對頻帶較窄，射頻功率放大器一般都采用選頻網絡作為負載回路。射頻功率放大器可以按照電流導通角的不同，分為甲 (A)、乙(B)、丙(C)三類工作狀態。甲類放大器電流的導通角為360°，適用于小信號低功率放大，乙類放大器電流的導通角等于180°，丙類放大器 電流的導通角則小于180°。乙類和丙類都適用于大功率工作狀態，丙類工作狀態的輸出功率和效率是三種工作狀態中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類， 但丙類放大器的電流波形失真太大，只能用于采用調諧回路作為負載諧振功率放大。由于調諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。

除了以上幾種按照電流導通角分類的工作狀態外，還有使電子器件工作于開關狀態的丁(D)類放大器和戊(E)類放大器，丁類放大器的效率高于丙類放大器。

射頻功率放大器RF PA的性能指標

射頻功率放大器RF PA的主要技術指標是輸出功率與效率，如何提高輸出功率和效率,是射頻功率放大器設計目標的核心。通常在射頻功率放大器中，可以用LC諧振回路選出基頻或某次諧波，實現不失真放大?？傮w來說，放大器的評判大概存在著如下指標：

增益。這是輸入和輸出之間比值，代表著放大器的貢獻。好的放大器，都是在其“自身能力的范圍內”，盡可能多的貢獻出“產出”。工作頻率。這代表著放大器對不同頻率信號的承載能力。工作帶寬。這決定著放大器能夠在多大范圍內產生“貢獻”。對于一個窄帶放大器來說，其自身設計即便沒有問題，但是其貢獻可能是有限的。穩定性。每一個晶體管都存在著潛在的“不穩定區域”。放大器的“設計”需要消除這些潛在的不穩定。放大器的穩定性包括兩種，潛在不穩定和絕對穩定。前者可 能在特定條件和環境下出現不穩定現象，后者則能夠保證在任何情況下保持穩定。穩定性問題之所以重要，是因為不穩定意味著“震蕩”，這時放大器不但影響自 身，還會將不穩定因素輸出。最大輸出功率。這個指標決定著放大器的“容量”。對于“大的系統”來說，希望他們在犧牲一定的增益的情況下能夠輸出更大的功率。效率。放大器都要消耗一定“能量”，還實現一定的“貢獻”。其貢獻與消耗之比，即為放大器的效率。能夠貢獻更多消耗更少，就是好的放大器。線性。線性所表征的是放大器對于大量輸入進行正確的反應。線性的惡化表示放大器在過量的輸入的狀態下將輸入“畸變”或“扭曲”。好的放大器不應該表現出這 種“畸形”的性質。

下面內容：射頻功放的電路組成、穩定和效率提升方式

射頻功率放大器RF PA的電路組成

放大器有不同類型，簡化之，放大器的電路可以由以下幾個部分組成：晶體管、偏置及穩定電路、輸入輸出匹配電路。

1、晶體管

晶體管有很多種，包括當前還有多種結構的晶體管被發明出來。本質上，晶體管的工作都是表現為一個受控的電流源或電壓源，其工作機制是將不含內容的直流的能量轉化為“有用的”輸出。直流能量乃是從外界獲得，晶體管加以消耗，并轉化成有用的成分。一個晶體管，我們可以視之為“一個單位”。不同的晶體管不同的“能力”，例如其承受功率的能力有區別，這也是因為其能獲取的直流能量的能力不同所致;例如其反應速度不同，這決定它能工作在多寬多高的頻帶上;例如其面向輸入、輸出端的阻抗不同，及對外的反應能力不同，這決定了給它匹配的難易程度。

2、偏置及穩定電路

偏置和穩定電路是兩種不同的電路，但因為他們往往很難區分，且設計目標趨同，所以可以放在一起討論。

晶體管的工作需要在一定的偏置條件下，我們稱之為靜態工作點。這是晶體管立足的根本，是它自身的“定位”。每個晶體管都給自己進行了一定的定位，其定位不同將決定了它自身的工作模式，在不同的定位上也存在著不同的性能表現。有寫定位點上起伏較小，適合于小信號工作;有些定位點上起伏較大，適合于大功率輸出;有些定位點上索取較少，釋放純粹，適合于低噪聲工作;有些定位點，晶體管總是在飽和和截止之間徘徊，處于開關狀態。一個恰當的偏置點，是正常工作的礎。

穩定電路一定要在匹配電路之前，因為晶體管需要將穩定電路作為自身的一部分存在，再與外界接觸。在外界看來，加上穩定電路的晶體管，是一個“全新的”晶體管。它做出一定的“犧牲”，獲得了穩定性。穩定電路的機制能夠保證晶體管順利而穩定地運轉。

3、輸入輸出匹配電路

匹配電路的目的是在選擇一種接受的方式。對于那些想提供更大增益的晶體管來說，其途徑是全盤的接受和輸出。這意味著通過匹配電路這一個接口，不同的晶體管之間溝通更加順暢，對于不同種的放大器類型來說，匹配電路并不是只有“全盤接受”一種設計方法。一些直流小、根基淺的小型管，更愿意在接受的時候做一定的阻擋，來獲取更好的噪聲性能，然而不能阻擋過了頭，否則會影響其貢獻。而對于一些巨型功率管，則需要在輸出時謹小慎微，因為他們更不穩定，同時，一定的保留有助于他們發揮出更多的“不扭曲的”能量。

射頻功率放大器RF PA穩定的實現方式

每一個晶體管都是潛在不穩定的。好的穩定電路能夠和晶體管融合在一起，形成一種“可持續工作”的模式。穩定電路的實現方式可劃分為兩種：窄帶的和寬帶的。

窄帶的穩定電路是進行一定的增益消耗。這種穩定電路是通過增加一定的消耗電路和選擇性電路實現的。這種電路使得晶體管只能在很小的一個頻率范圍內貢獻。另外一種寬帶的穩定是引入負反饋。這種電路可以在一個很寬的范圍內工作。

不穩定的根源是正反饋，窄帶穩定思路是遏制一部分正反饋，當然，這也同時抑制了貢獻。而負反饋做得好，還有產生很多額外的令人欣喜的優點。比如，負反饋可能會使晶體管免于匹配，既不需要匹配就可以與外界很好地接洽了。另外，負反饋的引入會提升晶體管的線性性能。

射頻功率放大器RF PA的效率提升技術

晶體管的效率都有一個理論上的極限。這個極限隨偏置點(靜態工作點)的選擇不同而不同。另外，外圍電路設計得不好，也會大大降低其效率。目前工程師們對于效率提升的辦法不多。這里僅講兩種：包絡跟蹤技術與Doherty技術。

包絡跟蹤技術的實質是：將輸入分離為兩種：相位和包絡，再由不同的放大電路來分別放大。這樣，兩個放大器之間可以專注地負責其各自的部分，二者配合可以達到更高的效率利用的目標。

Doherty技術的實質是：采用兩只同類的晶體管，在小輸入時僅一個工作，且工作在高效狀態。如果輸入增大，則兩個晶體管同時工作。這種方法實現的基礎是二只晶體管要配合默契。一種晶體管的工作狀態會直接決定了另一支的工作效率。

RF PA面臨的測試挑戰

功率放大器是無線通信系統中非常重要的組件，但他們本身是非線性的，因而會導致頻譜增生現象而干擾到鄰近通道，而且可能違反法令強制規定的帶外(out-of-band)放射標準。這個特性甚至會造成帶內失真，使得通信系統的誤碼率(BER)增加、數據傳輸速率降低。

在峰值平均功率比(PAPR)下，新的OFDM傳輸格式會有更多偶發的峰值功率，使得PA不易被分割。這將降低頻譜屏蔽相符性，并擴大整個波形的EVM及增加BER。為了解決這個問題，設計工程師通常會刻意降低PA的操作功率。很可惜的，這是非常沒有效率的方法，因為PA降低10%的操作功率，會損失掉90%的DC功率。

現今大部分的RF PA皆支持多種模式、頻率范圍及調制模式，使得測試項目變得更多。數以千計的測試項目已不稀奇。波峰因子消減(CFR)、數字預失真(DPD)及包絡跟蹤(ET)等新技術的運用，有助于將PA效能及功率效率優化，但這些技術只會使得測試更加復雜，而且大幅延長設計及測試時間。增加RF PA的帶寬，將導致DPD測量所需的帶寬增加5倍(可能超過1 GHz)，造成測試復雜性進一步升高。

依趨勢來看，為了增加效率，RF PA組件及前端模塊(FEM)將更緊密整合，而單一FEM則將支持更廣泛的頻段及調制模式。將包絡跟蹤電源供應器或調制器整合入FEM，可有效地減少移動設備內部的整體空間需求。為了支持更大的操作頻率范圍而大量增加濾波器/雙工器插槽，會使得移動設備的復雜度和測試項目的數量節節攀升。

手機射頻模塊功率放大器(PA)市場情況

手機功率放大器領域是目前手機里無法集成化的元件，手機性能、占位面積、通話質量、手機強度、電池續航能力都由功率放大器決定。

如何集成這些不同頻段和制式的功率放大器是業界一直在研究的重要課題。目前有兩種方案：一種是融合架構，將不同頻率的射頻功率放大器PA集成;另一種架構則是沿信號鏈路的集成，即將PA與雙工器集成。兩種方案各有優缺點，適用于不同的手機。融合架構，PA的集成度高，對于3個以上頻帶巨有明顯的尺寸優勢，5-7個頻帶時還巨有明顯的成本優勢。缺點是雖然PA集成了，但是雙工器仍是相當復雜，并且PA集成時有開關損耗，性能會受影響。而對于后一種架構，性能更好，功放與雙功器集成可以提升電流特性，大約可以節省幾十毫安電流，相當于延長15%的通話時間。所以，業內人士的建議是，大于6個頻段時(不算 2G，指3G和4G)采用融合架構，而小于四個頻段時采用PA與雙工器集成的方案PAD。

審核編輯：湯梓紅