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实验四：射频功率放大器【实验目的】通过功率放大器实验，让学生了解功率放大器的基本结构，工作原理及其设计步骤，掌握功率放大器增益、输出功率、频率范围、线性度、效率和输入/输出端口驻波比等主要性能指标的测试方法，以此加深对以上各项性能指标的理解。【实验环境】1实验分组：每组24人2实验设备：直流电源一台，频谱仪一台，矢量网络分析仪一台，功率计一只，10dB 衰减器一个，万用表一只，功率放大器实验电路板一套【实验原理】一、功率放大器简介功率放大器总体可分成A、B、C、D、E、F 六类。而这六个小类又可以归入不同的大类，这种大类的分类原则，大致有两种：一种是按照晶体管的导通情况分，另一种按晶体管的等效电路分。按照信号一周期内晶体管的导通情况，即按导通角大小，功率放大器可分A、B、C三类。在信号的一周期内管子均导通，导通角180（在信号周期一周内，导通角度的一半定义为导通角），称为A类。一周期内只有一半导通的成为B 类，即90。导通时间小于一半周期的称为 C类，此时90。如果按照晶体管的等效电路分，则A、B、C属于一大类，它们的特点是：输入均为正弦波，晶体管都等效为一个受控电流源。而D、E、F属于另一类功放，它们的导通角都近似等于90，均属于高功率的非线性放大器。二、功率放大器的技术要求功率放大器用于通信发射机的最前端，常与天线或双工器相接。它的技术要求为：1.效率越高越好 2.线性度越高越好 3.足够高的增益 4.足够高的输出功率 5.足够大的动态范围 6.良好的匹配（与前接天线或开关器）三、功率放大器的主要性能指标1.工作频率2.输出功率3.效率4.杂散输出与噪声5.线性度6.隔离度四、功率放大器的设计步骤1.依据应用要求（功率、频率、带宽、增益、功耗等），选择合适的晶体管2.确定功率放大器的电路和类型3.确定放大器的直流工作点和设计偏置电路4.确定最大功率输出阻抗5.将最大输出阻抗匹配到负载阻抗（输出匹配网络）6.确定放大器输入阻抗7.将放大器输入阻抗匹配到实际的源阻抗（输入匹配网络）8.仿真功率放大器的性能和优化9.电路制作与性能测试10.性能测量与标定五、本实验所用功率放大器的简要设计过程1.PA 设计的性能指标频段/GHz线性增益/dB=30等驻波比 VSWR=20增益平坦度/dB12.晶体管的选择本实验所选用的晶体管为安捷伦公司的ATF54143_PHEMT，这种晶体管适合用来设计功率放大器。单管在处能达到的最大资用增益大于18dB，而 1dB压缩点高于 21dB。3.LNA 电路方案的确定为满足设计的性能指标，PA的电路方案采用两级放大，前后两级偏置电路使用对称结构。确定功率放大器工作点负载线的中点，使它工作在A类，具有很好的线性度。第一级采用最大增益匹配，第二级输出匹配网络采用功率匹配，级间共轭匹配。4.直流（电压/电流）偏置电路设计本实验所用功率放大器采用基极分压射极偏置电路，但将它的射频扼流圈换为一端开路的四分之一波长传输线。这样就综合了基极分压射极偏置电路和传输线偏置法的优点，既能使放大器的工作点稳定又能抑制偶次谐波，还能改善放大器的稳定性。图 1 偏置电路上图中，R1 与 R2一起构成分压回路，R3为限流电阻，旁路电容C2、C3与四分之一波长传输线L1、L2 起阻止基波流向直流源并抑制偶次谐波的作用。电容 C4、C5起隔直通交作用，而旁路电容 C1负责滤除直流源的杂散信号。5.阻抗匹配/转换电路设计阻抗匹配/转换电路设计取决与放大器要求的增益、输出功率、效率、线性度和交调失真比等指标。PA阻抗匹配/转换电路设计基本步骤：1）确定最大功率传输负载阻抗2）将最大功率传输负载阻抗匹配到实际的负载阻抗3）确定放大器输入阻抗4）匹配放大器输入阻抗到信号源阻抗功率放大器的匹配网络均采用单节短截线匹配法。匹配顺序为从后级往前级匹配。第二级的输出匹配网络采用功率匹配，即确定晶体管的最大功率传输负载阻抗，将所得到的最大功率传输负载阻抗匹配到实际负载阻抗，输出端匹配好以后，测出此时晶体管的输入阻抗。第一级采用最大增益匹配，将其要求的输出阻抗共轭匹配到第二级的输入阻抗，再将其输出阻抗匹配到实际的负载阻抗。这样就完成了整个放大器的匹配电路设计。偏置电路和匹配电路设计好以后，整个功率放大器本身的设计已完成。为了保险起见，还需设计一个直流保护电路，以保证当输入的直流电压和电流过大时，功率放大器电路不会受到损坏。六、实验使用的PA电路图图 2 PA 实验电路的原理图图 3 PA 版图图 4 PA 实验电路平台【实验内容】1.参考实验原理图，理解功率放大器设计的基本方法。2.在功率放大器实验电路板上测量PA的主要技术指标：a.功率增益（Gain）b.频率范围（Frequency Range）c.回波损耗（Return Loss）d.驻波比（Stand Wave Ratio）压缩点（1dB Power）f.三阶交调点（3OIP and 3IIP）【实验步骤】1.在做实验之前，观察实验板的电路结构，认清各部分电路元件的作用，体会 PA的工作原理。2.准备工作1）调整直流源，输出端口选择为端口1，将输出电压设定为 3V，电流限定在 125mA。2）校准矢量网络分析仪，校准的频率范围：，矢网输出功率为-20dBm，保存校准文件。3）校准功率计，使信号发生器的真实输出与功率计上所显示的功率值一致。3.测试 1）直流工作点的测试将功率放大器的直流输入端连接到直流源的端口1，按下直流源的输出键，观测此时直流源的电压输出值Vcc 和电流输出值 Icc 并做记录使用万用表，分别测前后两级 EPHEMT 的gsV和dsV，并做相应记录，以此可以确定两级 EPHEMT 的直流工作点 Q1和 Q2。2）PA的主要性能指标测试将 PA的射频输入端连接到矢量网络分析仪的端口1，射频输出端接到矢网的端口2。按下矢网的Power ON键，采用频率扫描，测量并保存 PA的 S参数，用 Marker 键找出增益即21S的最大值，其对应的频点为中心频率，并找出增益下降1dB的频率范围（1dB带宽）。利用测得的11S和22S，可以分别得出 LNA的射频输入和输出端口的回波损耗，通过计算公式iiiiSSSWR11可得出 PA的射频输入和输出端口的驻波比SWR，由此可以看出 PA的输入和输出的匹配好坏。采用功率扫描，扫描范围：-20dBm-5dBm，中心频率为上面得出的中心频率点，用 Marker 找出增益下降 1dB时的输入功率的大概位置，这样可以粗略确定P1dB的大小。将 PA的射频输入端接到信号发生器的输出端，射频输出端接到功率计的探头，打开射频源，输入功率从-25dBm到-5dBm进行扫描，记下相应的输出功率值。设置信号源,使其输出双音频信号,中心频率为，频率间隔为 2MHz。将 PA的射频输入端连接到信号源的输出端，射频输出端接频谱仪的输入端。开启信号源，输出功率从-20dBm到-5dBm依次扫描，记下PA相应的输出功率。【实验记录与分析】1.实验小组成员及实验环境实验时间实验地点及温度小组名称成员（班级-学号）实 验设备名称直流电源信号源频谱仪功率计型号SML03FSV7E4418B 2.实验数据记录与分析1）直流工作点 直流源的输电压 Vcc 和电流 Icc记录：Vcc=3V,Icc=122mA 前后两级 EPHEMT 的GSV、DSV和DSI，以此计算分析得出两级PHEMT的直流工作点 Q1和 Q2Q1:GSVDSVDSI3V58mAQ2:GSVDSVDSI3V61mA2）PA的主要性能指标：保存放大器的 S 参数，不同射频输入功率点的输出功率、三阶交调功率列表，并记下当前的测试环境。PA 的 S参数：测试条件：设备为 N5230A矢量网络分析仪，射频输入功率为-20dBm,测试的频率范围：。1.92.02.12.22.32.41.82.5-40-20020-6040freq,GHzdB(S(1,1)dB(S(1,2)dB(S(2,2)m4dB(S(2,1)m1m2m3m1freq=dB(S(2,1)=31.6881.950GHzm2freq=dB(S(2,1)=30.6432.090GHzm3freq=dB(S(2,1)=29.6662.210GHzm4freq=dB(S(2,2)=-11.2342.090GHz 不同射频输入功率点的输出功率、三阶交调功率列表：测试条件：设备为E4418B功率计和 FSP40频谱仪，射频输入信号频率为，扫描的功率范围：-22dBm-7dBminP（dBm）-22-21-20-19-18-17-16-15outP（dBm）3IM（dBm）-45-42-39-36-33-30-27-24inP（dBm）-14-13-12-11-10-9-8-7outP（dBm）193IM（dBm）-21-18-15-12 3）分析 中心频率GHzf09.20 频率范围 1dB带宽GHzBWdB16.095.121.21 增益随频率的变化表格和曲线 射频输入端的回波损耗1.92.02.12.22.32.41.82.5-20-15-10-5-250freq,GHzReturn_Loss_inReturn_Loss_out 射频输入输出端的驻波比1.92.02.12.22.32.41.82.512304freq,GHzSWR_inSWR_out由驻波比可看出PA的输入匹配均比较好。根据输出功率随输入功率的变化表格及曲线，找出1dB压缩点。【实验结论】从实验数据及分析可以看出，本实验所使用的功率放大器的增益、频率范围、线性度、回波损耗和输入输出端的驻波比等特性基本达到了预期的设计要求。【思考题】1.归纳设计功率放大器的基本步骤。2.功率放大器有哪几种类型分别叙述它们的特点，并写出他们的异同点。答：功率放大器通常可分成A、B、C、D、E、F 六类。而这六个小类又可以归入不同的大类。3.在设计功率放大器时，如何确定它的最大功率传输负载阻抗，完成输出匹配4.对功率放大器输出功率产生影响的因素有哪些如何增大功率放大器的输出功率
