具体描述
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射频和微波晶体管功率放大器工程设计领域少有的专业著作。
内容简介
《射频与微波晶体管功率放大器工程》主要阐述射频和微波晶体管功率放大器工程设计的基本理论、方法、设计技巧和工程实现。书中给出了较多的工程设计的实例和实现时需要注意的工程方法,为电子工程师提供了几乎所有的手段,以提高设计效率,缩短设计周期。书中不仅注重功率放大器的基本理论、传统的设计方法,还涉及最新的设计理念和分析方法——异相功率放大器、功率放大器中的记忆效应
作者简介
张玉兴,电子科技大学电子工程学院教授。现为电子科技大学电子工程学院电路与系统学科负责人。
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目录
第1章 绪论
1.1 现代数字通信体制的特点
1.1.1 功率放大器在无线通信系统中的地位
1.1.2 功率放大器波形质量的测量
1.1.3 功率效率的测量
1.1.4 功率放大器线性化技术和效率提高技术
1.2 射频与微波固体功率放大器的特点
1.3 射频和微波功率放大器的分析方法综述
1.3.1 线性近似化理论
1.3.2 弱非线性器件的分析方法
1.3.3 强非线性效应下的近似分析方法
1.3.4 计算机辅助设计(CAD)和非线性器件模型
1.3.5 负载牵引设计方法
1.4 射频和微波固体功率放大器中的新颖技术
1.4.1 功率放大器的线性化技术
1.4.2 效率及线性化增强技术
第2章 射频和微波晶体管功率放大器基础
2.1 射频和微波功率晶体管的直流参数和功能参数
2.1.1 直流参数
2.1.2 极限参数和热特性
2.1.3 功率晶体管的功能特性
2.1.4 低功率晶体管的功能特性
2.1.5 线性模块的功能特性
2.1.6 功率模块的功能特性
2.2 射频和微波晶体管应用基础
2.2.1 低功率晶体管的选择
2.2.2 高功率晶体管的选择
2.2.3 晶体管选择时的带宽考虑
2.2.4 MOSFET与双极晶体管的选择
2.2.5 选择功率晶体管的其他考虑因素
2.3 FET和双极晶体管的参数与电路比较
2.3.1 晶体管类型
2.3.2 参数的比较
2.3.3 电路组态
2.4 影响功率放大器设计的其他因素
2.4.1 工作类别
2.4.2 调制类型
2.4.3 线性工作偏置的考虑
2.4.4 脉冲模式工作的晶体管
2.5 LDMOS功率晶体管及其应用
2.5.1 LDMOSFET与垂直MOSFET的比较
2.5.2 LDMOS器件设计
2.5.3 LDMOS的特性
2.5.4 FET的一些近似设计考虑
2.5.5 LDMOS晶体管在现代移动蜂窝技术中的应用
2.5.6 射频功率放大器的特性
2.5.7 线性度考虑
2.5.8 W-CDMA功率放大器设计实例
2.5.9 CDMA放大器设计和优化的电路技术
2.5.1 0LDMOS晶体管的模型
2.6 射频和微波功率放大器的附加电路
2.6.1 固体功率放大器的VSWR保护
2.6.2 功率放大器负载失配量的在线测试电路
2.6.3 输出滤波
2.7 宽带阻抗匹配的基本概念
2.7.1 宽带电路介绍
2.7.2 传统的RF变压器阻抗变换器
2.7.3 绞线RF变压器阻抗变换器
2.7.4 传输线RF变压器阻抗变换器
2.7.5 等延迟传输线RF变压器阻抗变换器
2.8 射频和微波功率放大器的总体设计思想
2.8.1 单端、平衡(并联)和推挽功率放大器
2.8.2 单端RF功率放大器设计思想
2.8.3 双极晶体管并联功率放大器
2.8.4 MOSFET晶体管并联功率放大器
2.8.5 推挽功率放大器
2.8.6 功率晶体管的阻抗和放大器的匹配网络
2.8.7 功率放大器系统的级间匹配电路
2.8.8 单级设计实例
2.9 计算机辅助设计程序
2.9.1 概况
2.9.2 Motorola阻抗匹配程序的内部
第3章 射频和微波功率放大器的结构技术及可靠性技术
3.1 RF功率晶体管的封装类型
3.2 封装对发射极/源极阻抗的影响
3.3 射频和微波功率放大器印制电路板的布局
3.4 射频和微波元器件安排
3.4.1 高功率晶体管的安装
3.4.2 低功率晶体管的安装
3.4.3 射频功率模块的安装
3.5 射频和微波功率放大器的可靠性考虑
3.5.1 芯片温度及其对可靠性的影响
3.5.2 其他可靠性考虑
第4章 线性功率放大器的设计和功率放大器的线性化技术
4.1 非线性电路基本概念与定义
4.1.1 线性与非线性
4.1.2 频率的产生
4.1.3 非线性现象
4.1.4 放大器中的非线性现象
4.2 线性晶体管功率放大器的设计
4.2.1 A类放大器和线性放大
4.2.2 增益匹配和功率匹配
4.2.3 负载牵引测量
4.2.4 商用负载牵引测量设备
4.2.5 负载线理论
4.2.6 封装效应和负载牵引理论
4.2.7 用CAD程序作负载牵引等功率线
4.2.8 A类功率放大器设计的实际例子
4.2.9 总结
4.3 功率放大器的线性化技术
4.3.1 负反馈线性化技术
4.3.2 预失真技术
4.3.3 前馈技术
第5章 高效率射频和微波固体功率放大器设计
5.1 功率放大器减小导通角的波形分析
5.2 功率放大器输出端口
5.3 减小导通角工作模式分析
5.3.1 A类工作条件
5.3.2 AB类工作条件
5.3.3 B类工作状态
5.3.4 C类工作状态
5.3.5 晶体管的开启(膝)电压的影响
5.3.6 功率转移特性和线性度
5.3.7 对输入驱动的要求
5.3.8 本节小结
5.4 降低导通角高效率功率放大器的匹配网络的设计
5.4.1 低通匹配网络
5.4.2 传输线网络
5.4.3 谐波短路
5.4.4 普通的MESFET晶体管
5.4.5 850MHz 2W B类功率放大器设计实例
5.4.6 π形功率匹配网络
5.4.7 功率放大器中的π形匹配网络设计和分析
5.4.8 使用负载牵引法的网络设计和分析
5.5 射频和微波功率放大器中的过驱动和限制效应
5.5.1 过驱动A类功率放大器
5.5.2 过驱动减小导通角模式的功率放大器
5.5.3 正弦波的矩形化:F类和D类工作状态
5.5.4 实际的F类功率放大器
5.5.5 具有谐波短路的过驱动功率放大器
5.6 射频应用的开关模式放大器
5.6.1 简单的(射频应用)开关模式放大器
5.6.2 调谐开关模功率放大器
5.6.3 开关模D类功率放大器
5.6.4 开关模E类功率放大器
第6章 射频和微波功率放大器的电路技术
6.1 推挽放大器
6.2 平衡功率放大器
6.3 射频和微波功率放大器中的频率补偿和负反馈
6.3.1 频率补偿
6.3.2 负反馈
第7章 功率合成与分配技术
7.1 概述
7.1.1 合成概念的演变
7.1.2 合成的基本原理
7.1.3 合成的网络特性
7.2 功率合成器/分配器的类型
7.2.1 谐振和非谐振腔体合成器/分配器
7.2.2 非谐振的N路合成器
7.2.3 空间功率合成器
7.3 功率合成器/分配器的分析方法
7.3.1 传输线合成器的分析
7.3.2 平面二维功率合成结构的分析
7.3.3 波导和腔体合成器的分析
7.3.4 空间功率合成结构的分析
7.4 常规功率合成与分配技术
7.4.1 Wilkinson功率合成器/分配器
7.4.2 耦合线定向耦合器
7.4.3 微波混合桥
7.4.4 同轴电缆变换器和合成器
7.4.5 平行耦合线(双绞线)及同轴线阻抗变换器和平衡-不平衡变换器
7.5 新型功率合成与分配技术
7.5.1 基于DGS结构的不等分功率合成技术
7.5.2 基于多层结构的小型化超宽带合成技术
7.5.3 任意双频段功率合成与分配技术
7.6 波导空间功率合成技术
7.6.1 概述
7.6.2 扩展同轴波导内空间功率合成技术
7.6.3 径向波导空间功率合成技术
7.6.4 基片集成波导空间功率合成技术
7.7 大功率合成技术简介
7.7.1 传输线的功率容量
7.7.2 大功率合成器的设计实例
7.8 小结
第8章 射频和微波功率放大器中的记忆效应和失真
8.1 介绍
8.1.1 本章的目的
8.1.2 线性化和记忆效应
8.1.3 本章的主要内容
8.2 电路理论和方法
8.2.1 电系统的分类
8.2.2 非线性系统中的频谱计算
8.2.3 无记忆非线性系统中的频谱再生
8.2.4 非线性效应与信号带宽的关系
8.2.5 非线性系统分析
8.2.6 小结
8.2.7 需记住的要点
8.3 射频功率放大器中的记忆效应
8.3.1 效率
8.3.2 线性化
8.3.3 电记忆效应
8.3.4 热记忆效应
8.3.5 幅度域效应
8.3.6 总结
8.3.7 记忆要点
8.4 Volterra模型
8.4.1 非线性建模
8.4.2 非线性I-V和Q-V特性
8.4.3 共射BJT/HBT模型
8.4.4 在BJT共射放大器中的IM3
8.4.5 MESFET建模及分析
8.4.6 小结
8.4.7 记忆要点
8.5 Volterra模型的特性描述
8.5.1 拟合多项式模型
8.5.2 自热效应
8.5.3 直流 I-V 特性
8.5.4 交流特性描述步骤
8.5.5 脉冲S参数测量
8.5.6 封装效应的去除
8.5.7 小信号参数的计算
8.5.8 拟合法交流测量
8.5.9 1W BJT的非线性模型
8.5.1 01W MESFET 的非线性模型
8.5.1 130W LDMOS的非线性模型
8.5.1 2小结
8.5.1 3记忆要点
8.6 仿真及测量记忆效应
8.6.1 仿真记忆效应
8.6.2 记忆效应的测量
8.6.3 记忆效应与线性化
8.6.4 小结
8.6.5 记忆要点
8.7 记忆效应的抵消
8.7.1 包络滤波法
8.7.2 阻抗优化
8.7.3 包络注入
8.7.4 小结
8.7.5 记忆要点
第9章 异相射频与微波功率放大器
9.1 异相微波功率放大器介绍
9.1.1 从历史角度来看异相放大器
9.1.2 异相放大理论的介绍
9.2 反相功率放大系统的线性性能
9.2.1 介绍
9.2.2 数字调制技术
9.2.3 数字数据的基带滤波
9.2.4 异相放大器信号分量的分离
9.2.5 路径不均衡及其对线性度的影响
9.2.6 正交调制器误差对线性度的影响
9.2.7 SCS量化误差对于异相系统的影响
9.2.8 重构滤波器和DSP抽样率对线性度的影响
9.2.9 总结
9.3 异相放大器中降低路径失配的技术
9.3.1 简介
9.3.2 数据传输中路径失配误差的校正方案
9.3.3 宽带应用中的失配校正方法
9.3.4 VCO驱动合成
9.4 异相功率放大器中的功率合成及效率增强技术
9.4.1 介绍
9.4.2 异相放大器中的功率合成技术
9.4.3 异相系统的放大器选择
9.4.4 利用A、B、C类放大器设计异相放大器
9.4.5 Chireix功率合成技术
9.4.6 开关模式放大器(D类和E类)的功率合成器的设计
9.4.7 在异相功率放大器中使用有损耗的功率合成器
9.4.8 输出功率的概率分布及其对效率带来的影响
9.4.9 异相放大器中的功率回收
9.5 混合型功率合成器输出的资用功率
9.6 任意二极管模型的回收效率和电压驻波比
第10章 通信系统中的功率放大器
10.1 Kahn包络分离和恢复技术
10.2 包络跟踪
10.3 异相功率放大器
10.4 Doherty功率放大器方案
10.5 开关模和双途径功率放大器
10.6 前馈线性化技术
10.7 预失真线性化技术
10.8 手持机应用的单片CMOS和HBT功率放大器
附录
附录A Volterra 分析基础
附录B 截断误差
附录C 平方非线性级联时IM3的公式
附录D 测量系统的有关问题
参考文献
前言/序言
射频与微波晶体管功率放大器工程:深入解析与实践指南 引言 射频(RF)与微波晶体管功率放大器(PA)是现代无线通信系统、雷达、卫星通信、电子战等领域的核心组件。它们负责将微弱的输入信号放大至足以驱动天线进行有效辐射的功率水平,是实现信息远距离传输和高密度通信的关键。随着通信技术的飞速发展,对功率放大器的性能要求也日益严苛,包括更高的功率输出、更高的效率、更宽的带宽、更低的失真以及更小的体积和功耗。 本书旨在为读者提供一个全面而深入的射频与微波晶体管功率放大器工程实践指南。我们将从基础理论入手,逐步深入到电路设计、器件选择、性能优化、匹配网络设计、热管理、稳定性分析以及实际测试等各个环节。通过理论与实践相结合的方式,帮助读者理解功率放大器的设计原理、掌握常用的设计方法和工具,并能独立完成高性能功率放大器的设计、仿真与调试工作。 第一部分:功率放大器基础理论 本部分将构建读者对功率放大器工作原理和关键性能指标的认知基础。 1.1 功率放大器概述 功率放大器的定义、功能与重要性。 功率放大器在通信系统中的典型应用场景。 功率放大器的分类:按工作原理(A类、B类、AB类、C类、D类、E类、F类等)、按器件类型(双极型晶体管、场效应晶体管)、按工作频段(RF、微波、毫米波)。 现代功率放大器面临的设计挑战:线性度、效率、带宽、功率密度、集成度等。 1.2 功率放大器的关键性能指标 功率输出(Output Power, Pout):饱和输出功率(Psat)、线性输出功率(PLin)。 增益(Gain, G):功率增益、电压增益、插入增益。 固定增益与可变增益。 增益的频率响应与平坦度。 效率(Efficiency, η):漏极效率/集电极效率、电源效率、功率添加效率(PAE)。 不同类别的功率放大器效率分析。 效率与线性度的权衡。 线性度(Linearity): 谐波失真(Harmonic Distortion)。 互调失真(Intermodulation Distortion, IMD):三阶互调产物(IP3)、二阶互调产物(IP2)。 ACPR(Adjacent Channel Power Ratio)/ACLR(Adjacent Channel Leakage Ratio)。 AM/AM 和 AM/PM 效应。 线性度与输出功率的关系。 带宽(Bandwidth, BW):-1dB 增益压缩点带宽、-3dB 增益带宽。 输入/输出失配(Input/Output Mismatch):电压驻波比(VSWR)、回波损耗(Return Loss)。 噪声系数(Noise Figure, NF):在功率放大器中的意义和影响。 稳定性(Stability):K因子、△因子、B1因子。 稳定性的定义与检测方法。 稳定性对电路设计的重要性。 1.3 晶体管器件模型与特性 双极型晶体管(BJT): PNP 和 NPN 结构。 直流特性与交流特性。 S参数模型:h参数、y参数、z参数、S参数。 击穿电压、最大允许功耗、fT、fmax。 场效应晶体管(FET): 结型场效应晶体管(JFET)。 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。 高电子迁移率晶体管(HEMT)/异质结双极晶体管(HBT)/氮化镓(GaN)HEMT。 直流特性与交流特性。 S参数模型。 击穿电压、最大允许功耗、fT、fmax。 器件模型在仿真中的应用: SPICE模型、S2P文件、IBIS模型。 模型精度与仿真结果的关系。 第二部分:功率放大器电路设计 本部分将深入探讨功率放大器电路设计的关键技术和方法。 2.1 功率放大器的偏置电路设计 A类、B类、AB类偏置的原理与实现。 固定偏置、可变偏置、自动偏置。 温度补偿与偏置稳定性。 偏置电路的功耗与隔离度。 2.2 输入/输出匹配网络设计 匹配网络的作用:阻抗匹配、频率选择、滤波。 匹配网络拓扑结构: L型、C型、π型、T型匹配网络。 多级匹配网络。 基于Smith Chart的匹配网络设计: Smith Chart的基本原理与应用。 从高阻抗到低阻抗,从低阻抗到高阻抗的匹配。 损耗性负载的匹配。 基于微波网络分析仪和仿真软件的匹配设计: S参数与输入/输出回波损耗的关系。 使用ADS、MWO等软件进行匹配网络设计与优化。 宽带匹配技术: 巴伦(Balun)与巴奇(Buchi)。 分布式匹配网络。 多级匹配与频率补偿。 2.3 功率放大器拓扑结构 单端功率放大器: 基本结构与特性。 推挽(Push-Pull)功率放大器: 原理、优势与局限。 巴伦的使用。 桥接(Bridge)功率放大器: 结构与性能。 多级功率放大器: 级联设计原则。 驱动级与输出级的设计。 隔离与匹配。 平衡式(Balanced)功率放大器: 使用90度或180度混合耦合器的平衡式结构。 提高功率和线性度。 2.4 线性化技术 预失真(Predistortion): 数字预失真(DPD)与模拟预失真(APD)。 DPD的实现原理与算法。 反馈(Feedback): 电压反馈与电流反馈。 反馈在提高线性度和稳定性的作用。 包络跟踪(Envelope Tracking, ET): 原理与实现。 ET与DPD的结合。 包络消除与恢复(EER): 原理与应用。 2.5 效率提升技术 D类、E类、F类功率放大器: 开关模式功率放大器的基本原理。 阻抗匹配网络的设计。 开关损耗与导通损耗。 高级开关模式PA:Class F-1, Class EF, Class S等。 包络跟踪(ET)和包络注入(EI): 动态调整偏置电压以提升效率。 第三部分:实际工程应用与优化 本部分将关注功率放大器的实际实现、测试和性能优化。 3.1 器件选择与评估 不同半导体材料的优势:GaAs、SiGe、GaN、Si-LDMOS。 选择器件的关键参数:功率、频率、效率、线性度、热阻、电压、电流。 供应商提供的器件模型和评估板。 器件的可靠性与寿命。 3.2 PCB布局与布线 射频PCB设计原则: 接地策略:多点接地、单点接地、地网。 走线阻抗控制:微带线、带状线、共面波导。 器件的放置与封装。 寄生参数的影响:电感、电容。 信号完整性(SI)与电源完整性(PI)。 热管理布局:散热片、热过孔、铜箔。 3.3 热管理设计 功率放大器功耗与散热: 器件的TJmax(最高结温)。 热阻的计算:Rth(j-a)、Rth(j-c)。 热阻与环境温度的关系。 散热技术: 自然对流、强制风冷、液冷。 散热器的选择与安装。 热界面材料(TIM)。 热仿真与分析。 3.4 稳定性分析与设计 振荡的定义与危害。 稳定性判据:K因子、△因子、B1因子。 如何提高稳定性: 输入/输出匹配网络的阻抗选择。 串联电阻或并联电容/电感。 反馈网络的设置。 器件的寄生参数影响。 3.5 功率放大器的测试与调试 测试设备: 信号发生器、频谱分析仪、功率计、矢量网络分析仪(VNA)。 电子负载、示波器、失真度分析仪。 关键测试项目: 功率输出、增益、效率的测量。 线性度指标(IMD、ACPR)的测量。 输入/输出回波损耗的测量。 带宽的测量。 稳定性的测试。 调试过程中的常见问题与解决方法: 振荡、失真、效率不达标、增益不平坦等。 3.6 现代功率放大器设计工具 电磁仿真软件:HFSS, CST, FEKO。 电路仿真软件:ADS, PSpice, Multisim。 PCB设计软件:Altium Designer, Cadence Allegro。 无源器件库与有源器件模型。 结论 射频与微波晶体管功率放大器工程是一门集理论、实践、经验为一体的综合性学科。本书从基础理论出发,详细阐述了功率放大器的设计方法、关键技术和实际工程问题。通过系统地学习本书内容,读者将能够: 深刻理解功率放大器的工作原理和性能指标。 熟练掌握功率放大器的输入/输出匹配网络设计和各种拓扑结构。 掌握提高功率放大器效率和线性的关键技术。 理解PCB布局、热管理和稳定性分析在工程中的重要性。 掌握功率放大器的测试与调试方法。 能够利用现代设计工具进行功率放大器的仿真与优化。 本书适用于电子工程、通信工程、微波技术等相关专业的学生、研究人员以及从事射频与微波产品研发的工程师。期望本书能成为读者在功率放大器设计道路上的得力助手,共同推动无线通信技术的进步。