射频电路与理论设计（射频功放）——学习笔记1

射频功放的基本原理

1.射频功放的位置

射频功放位于发射系统、天线的前端

作用：将射频小功率信号，放大到系统所需要的大功率电平，并且送到天线

2.射频功放的本质

射频功放本质是一个能量转换器，将直流电源的能量转换为所需要的交流能量。

但是转换效率不可能达到100%，因为会有能量损耗，即热耗

转换过程满足能量守恒定律：

输入交流功率+输入直流功率=输出交流功率+热耗

3.射频功放的技术指标

工作频率（Operating Frequency Range）

输出功率（Output Power）

效率（Efficiency）

增益（Gain）

增益平坦度（Gain Flatness vs. Frequency）

端口驻波（Port VSWR）

谐波（Harmonics）

杂散辐射（Spurious Emissions）

工作电压（DC Input Voltage）

工作温度（Operating Temperature）

重量及外形尺寸（Weight and Mechanical Dimension）

4.技术指标：输出功率——P1dB   P3dB   Psat

增益相关

输入功率和输出功率的关系：

Pout (dBm)=10*lg [Pin（w)]+30

1dB压缩点的输出功率 和 3dB压缩点的输出功率

随着功放输出功率的增加，功放的增益会逐步压缩。当功率放大器的实际增益与理想线性增益差为1dB时，所对应的输出功率，称为P1dB功率。

当功率放大器的实际增益与理想线性增益差为3dB时，所对应的输出功率，称为P3dB功率。

饱和输出功率：当功率放大器的输入功率增加到一定的值后，输出功率不再随输入功率的增加而增加，这时输出功率称为饱和输出功率（Psat）。

工程上一般近似把P3dB功率等效为饱和输出功率，即使Psat≈P3dB 。

5.技术指标：效率——漏极效率（DE）      功率附加效率(PAE)

漏极效率（Drain Efficienncy）

表征功放把直流功率转化为射频输出功率的能力。

定义为功率放大器的射频输出功率与直流功耗的比值：

功率附加效率（Power Added Efficency）

既表征了功放把直流功率转化为射频输出功率的能力，

又反映了功率放大器的放大能力（即增益）。

定义为功率放大器的射频输出功率与输入功率的差值与直流功耗的比值：

6.技术指标：增益——增益   增益平坦度

增益（Gain）：指功放的输出功率Pout (Watt)与输入功率Pin (Watt)之比，通常以dB为单位，计算公式：Gain（dB） = 10×log(Pout/Pin)

增益平坦度（Gain Flatness vs. frequency）：

表征功放增益在一定频率范围内的变化量

不同的系统对功放的增益平坦度有不同的需求

7.射频功率放大器（PA）与射频低噪声放大器（LNA）的区别？

从三个方面来讲，

位置上，PA为发射机的后端；而LNA位于接收机的前端

放大的信号上，PA是对大信号进行放大；而LNA是对微弱信号进行放大

技术指标上，PA的主要技术指标包含饱和功率、效率、增益等；而LNA的主要技术指标包含噪声系数、增益、OP3等

8.★射频功放的分类

①功放基本工作类型，根据偏置状态可分为A类，B类，AB类，C类。

Notes：导通角是指在一个周期内，由电力电子器件（如晶闸管）控制其导通的角度。

A类功放理论最大效率为50%   

B类功放理论最大效率为78.5%

C类功放偏置电压比B类更小，导通角小于π。

在小于一定输入功率情况下，不会有射频功率输出，直到Ids射频摆幅超过0时才会开始输出功率。

②谐波控制类功放：J类、F类、逆F类

从波形工程理论出发，利用基波、谐波阻抗，偏置状态等一系列设计手段，对电流电压波形进行塑形，使其基波分量变大或波形交叠部分变小（减小耗散功耗）从而提升功率和效率。

9.射频功放的阻抗匹配

当漏极电流电压能同时达到满摆幅（最大）时，对应的负载为最优阻抗Ropt 。

晶体管的最优阻抗与偏置和半导体本身特性有关，并不是标准50 Ω阻值，

需要设计匹配电路才能与系统中其他组件相连。

Notes：

①最优阻抗Ropt可以使晶体管漏极电流、电压同时达到满摆幅，此时功放的功率最高。

②若负载阻抗RL= Ropt/2,电流先达到满摆幅；效率↓，饱和功率↓。

解释：从效率的定义出发  

电压缩小一倍，自然饱和功率下降

③若负载阻抗RL= 2Ropt,电压先达到满摆幅；效率不变，饱和功率↓。

解释：从效率的定义出发  

电流缩小一倍，自然饱和功率下降

④由于寄生参数的存在，往晶体管方向的最优阻抗不一定为实数，

此时需要匹配网络完成共轭匹配获得最大功率。