射频及微波固态功率放大器张玉课件.pptx

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1、内容内容射频及微波功率放大器发展动态射频及微波功率放大器发展动态1射频及微波功率放大器设计射频及微波功率放大器设计2功率放大器的线性化技术功率放大器的线性化技术3射频及微波固态功率放大器中的新颖技术射频及微波固态功率放大器中的新颖技术4第1页/共117页绪论射频及微波固态功率放大器发展动态第2页/共117页Standard Standard AMPS/NAMPAMPS/NAMPS S ETACS ETACS JTACS/NTAJTACS/NTACS CS Year introduced Year introduced 1983/1988 1983/1988 198519851988/1993

2、1988/1993 Uplink frequency band(MHz)Uplink frequency band(MHz)North America North America United United Kingdom Kingdom Japan Japan 91591525 25 82482449 49 89089015 15 Channel bandwidth(kHz)Channel bandwidth(kHz)30/1030/10252525/12.5 25/12.5 Multiple access Multiple access FDMA FDMA FDMA FDMA FDMA F

3、DMA Modulation Modulation FM FM FM FM FM FM Maximum transmit power(dBm)Maximum transmit power(dBm)27.827.8N/A N/A N/A N/A PA voltage(V)PA voltage(V)3.6-6.0 3.6-6.0 3.6-6.0 3.6-6.0 3.6-6.0 3.6-6.0 Typical PA quiescent current(mA)Typical PA quiescent current(mA)303030303030Typical efficiency(%)Typical

4、 efficiency(%)50 50 50 50 50 50 Several 1G Analog Wireless SystemsSeveral 1G Analog Wireless Systems第3页/共117页Standard Standard GSM GSM IS-54 IS-54 IS-95 IS-95 PDC PDC PHS PHS Year introduced Year introduced 1990199019911991199319931991199119931993Uplink frequency band Uplink frequency band Europe Eu

5、rope North America North America North America North America Japan Japan Japan Japan(MHz)(MHz)890-915 890-915 824-849824-849824-849824-849940-959940-9591,895-1,907 1,895-1,907 Carrier spacing(kHz)Carrier spacing(kHz)20020030301,2501,2502525300300Multiple access Multiple access TDMA/FTDMA/FDMDMA A TD

6、MA/FDMA TDMA/FDMA CDMA/FDMA CDMA/FDMA TDMA/FDTDMA/FDMA MA TDMA/FDTDMA/FDMA MA Modulation Modulation GMSK GMSK p/4-DQPSK p/4-DQPSK OQPSK OQPSK p/4-p/4-DQPSDQPSK K p/4-p/4-DQPSDQPSK K Duplex mode Duplex mode FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD FDD TDD TDD Maximum transmit power(dBm)Maximum transmit power(dBm)

7、303027.827.827.827.833331919Long-term mean power(dBm)Long-term mean power(dBm)21212323171728281010Peak-to-average power ratio(dB)Peak-to-average power ratio(dB)0 03.23.25.15.12.62.62.62.6Transmit duty ratio(%)Transmit duty ratio(%)12.512.533.333.3Variable Variable 33.333.333.333.3PA voltage(V)PA vol

8、tage(V)3.5-6.03.5-6.03.5-6.03.5-6.03.5-6.03.5-6.03.5-4.83.5-4.83.1-3.63.1-3.6ACPR(dBc)ACPR(dBc)N/A N/A-26-26-26-26-48-48-50-50 Typical PA quiescent current(mA)Typical PA quiescent current(mA)2020180180200200150150100100Typical efficiency(%)Typical efficiency(%)50 50 40 40 30 30 50 50 50 50 Several 2

9、G Digital Wireless SystemsSeveral 2G Digital Wireless Systems第4页/共117页用于移动通信的功率放大器 频率范围频率范围频率范围频率范围MHzMHzMHzMHz Pout(dBm)Pout(dBm)Pout(dBm)Pout(dBm)增益增益增益增益(dB)(dB)(dB)(dB)功率附加效率功率附加效率功率附加效率功率附加效率(%)(%)(%)(%)偏置偏置偏置偏置(V)(V)(V)(V)GSMGSMGSMGSM890890890890 190019001900190032323232 3535353530303030505050

10、50 555555553 3 3 3 5.85.85.85.8PCSPCSPCSPCS1850185018501850 191019101910191028282828 323232322424242430303030 424242423 3 3 3 5.85.85.85.8蜂窝蜂窝蜂窝蜂窝824824824824 92892892892828282828 32.532.532.532.52727272730303030 606060603 3 3 3 5.85.85.85.8第5页/共117页数字移动通信对非线性分析的影响数字移动通信对非线性分析的影响数字移动通信对非线性分析的影响数字移动通

11、信对非线性分析的影响 非恒包络信号非恒包络信号非恒包络信号非恒包络信号对非线性敏感对非线性敏感对非线性敏感对非线性敏感 NADC(/4-QPSK)NADC(/4-QPSK)、CDMA(QPSKCDMA(QPSK、OQPSK)OQPSK)高功率附加效率高功率附加效率高功率附加效率高功率附加效率非线性状态较强非线性状态较强非线性状态较强非线性状态较强 低邻信道干扰低邻信道干扰低邻信道干扰低邻信道干扰要求线性好要求线性好要求线性好要求线性好 挑战挑战挑战挑战 解决高功率附加效率与低邻信道干扰的矛盾解决高功率附加效率与低邻信道干扰的矛盾解决高功率附加效率与低邻信道干扰的矛盾解决高功率附加效率与低邻信道

12、干扰的矛盾如何在线性度和效率之间做到较好的兼顾？如何在线性度和效率之间做到较好的兼顾？如何在线性度和效率之间做到较好的兼顾？如何在线性度和效率之间做到较好的兼顾？第6页/共117页高功放的发展现状高功放的发展现状v功率回退：传统的功率放大器一般采用回退技术来实现不同功放要求，是目前主要采用的技术。基本原理基本原理基本原理基本原理:输入功率减小输入功率减小输入功率减小输入功率减小1dB1dB时，三阶交调系数改时，三阶交调系数改时，三阶交调系数改时，三阶交调系数改善善善善 2dB2dB，通过减小输入功率的方法改善功率，通过减小输入功率的方法改善功率，通过减小输入功率的方法改善功率，通过减小输入功率

13、的方法改善功率 放大放大放大放大器的线性。器的线性。器的线性。器的线性。优缺点优缺点优缺点优缺点:简单、易实现简单、易实现简单、易实现简单、易实现 降低效率、增大成本降低效率、增大成本降低效率、增大成本降低效率、增大成本 小功率、适用于线性要求不很高的系统小功率、适用于线性要求不很高的系统小功率、适用于线性要求不很高的系统小功率、适用于线性要求不很高的系统 第7页/共117页v负反馈法 优缺点优缺点优缺点优缺点:简单、易实现简单、易实现简单、易实现简单、易实现 频带较窄、稳定性较差频带较窄、稳定性较差频带较窄、稳定性较差频带较窄、稳定性较差 适用于线性要求不高的系统适用于线性要求不高的系统适用

14、于线性要求不高的系统适用于线性要求不高的系统 第8页/共117页v前馈技术：采用前馈技术优点是能大大改善功放的线性度，缺点是成本较高、难度大、功放的效率会比较低，这种技术近几年在国内外已经得到了广泛的应用。第9页/共117页v预失真技术预失真又分这模拟预失真（APD）和数字预失真（DPD）1、模拟预失真是指在功放输入前加入一个预失真器，这种预失真器产生的非线性与功放产生的非线性相们相反，从而可以实验非线性的矫正，模拟预失真又分为射频预失真和中频预失真。这种技术优点是实现简单、技术难度小、成本低；缺点是线性度改善不高。第10页/共117页2、基带数字预失真技术基带数字预失真技术是近几年发展起来的

15、一种新型技术，是线性功放发展的主流。这项技术目前还不是很成熟、是未来线性功放发展的方向。其优点是线性度高、效率高；缺点是电路复杂、实现难度较大。原理是将功放输入的信号取样，下变频到中频、经数字中频处理后、提取基带数字信号的辐度和相位信息，再将输出的非线性的信号同样变频到基带，并提取相应的信息，两者相比较，再通过相位和辐度调整电路将输入信号进行动态地矫正。第11页/共117页基带数字预失真的硬件原理第12页/共117页v极性环 第13页/共117页v笛卡儿环第14页/共117页技术技术类型类型技术成技术成熟度熟度技术技术难度难度功放功放效率效率是否获得是否获得商用商用生产生产难度难度体积体积可靠

16、可靠性性成本成本基于基于前馈前馈技术技术的功的功放放成熟成熟中中低于低于1010是是难难大大低低高高基于基于DPDDPD技技术的术的功放功放步入成步入成熟熟难难高，高，典型典型值值1919是是易易小小高高低低基于基于DPDDPD加加DoherDohertyty技技术的术的功放功放试验阶试验阶段段难难高，高，典型典型值值2727否否易易小小高高低低新一代基站功放和传统功放的技术比较新一代基站功放和传统功放的技术比较 第15页/共117页第二章第二章 射频及微波功率放大器设计射频及微波功率放大器设计二端口网络及二端口网络及S S参数参数1 1准线性网络设计准线性网络设计2 2负载牵引法负载牵引法3

17、 3第16页/共117页2.1 二端口网络理论及二端口网络理论及S参数参数传统的网络参数1散射参数2二端口网络参数间转换3传输线4第17页/共117页2.1.1 传统的网络参数传统的网络参数第18页/共117页阻抗参数阻抗参数第19页/共117页导纳参数导纳参数第20页/共117页混合参数混合参数第21页/共117页传输参数传输参数第22页/共117页第23页/共117页2.1.2散射参数散射参数入射波入射波ai，入射波bi第24页/共117页端口端口2 2处接有匹配负载时，在端口处接有匹配负载时，在端口1 1处的反射处的反射系数系数端口端口端口端口1 1 1 1处接有匹配负载时，在端口处接有

18、匹配负载时，在端口处接有匹配负载时，在端口处接有匹配负载时，在端口2 2 2 2处的反射系数处的反射系数处的反射系数处的反射系数端口端口端口端口1 1 1 1处接有匹配负载时，端口处接有匹配负载时，端口处接有匹配负载时，端口处接有匹配负载时，端口2 2 2 2到端口到端口到端口到端口1 1 1 1的传输系数的传输系数的传输系数的传输系数端口端口端口端口2 2 2 2处接有匹配负载时，端口处接有匹配负载时，端口处接有匹配负载时，端口处接有匹配负载时，端口1 1 1 1到端口到端口到端口到端口2 2 2 2的传输系数的传输系数的传输系数的传输系数第25页/共117页2.1.3二端口参数的相互转换二

19、端口参数的相互转换第26页/共117页2.1.4 2.1.4 传输线(Transmission Lines)分布(distributed)参数系统与集总(lumped)参数系统 任何电路、元器件、连接线本质上都是分布系统，在某些条件下它们的分布特性可以被忽略，正如在某些条件下微积分可以简化为四则运算。对于一条长度为l 的低损耗连接线和波长为的信号，当l 0.1，我们认为它是一个分布系统传输线。分布 vs.寄生(parasitic)准静态(Quasi-Static)与非准静态(NQS)QS：电路理论适用，NQS：电磁场理论适用第27页/共117页IC Design 需要传输线知识吗 空气中1GH

20、z信号的波长为30cm，芯片的尺寸以mm计，因此在这个频段附近(lower GHz)的RFIC 内部通常还不需要考虑传输线效应 当频率高到一定程度，电路中存在较长的连线，或者需要精确分析电路的工作情况，即使是IC 设计也不得不使用传输线理论 IC与外界连接时(不论是测试还是实际应用)都将用到传输线 传输线现象是典型的高频现象，传输线理论是理解高频电路、信号和系统的基础和重点 抽象的传输线 一根信号线和地(线或面)就组成了传输线 电磁波将沿信号线传输并被限制在信号线和地之间第28页/共117页第29页/共117页第30页/共117页第31页/共117页第32页/共117页第33页/共117页第3

21、4页/共117页第35页/共117页第36页/共117页第37页/共117页传输线阻抗变换第38页/共117页第39页/共117页2.2 准线性网络设计方法准线性网络设计方法 为简化功率放大器设计过程，在一些情况下，为简化功率放大器设计过程，在一些情况下，为简化功率放大器设计过程，在一些情况下，为简化功率放大器设计过程，在一些情况下，使用基波电流和电压之比和非线性元件用等效平使用基波电流和电压之比和非线性元件用等效平使用基波电流和电压之比和非线性元件用等效平使用基波电流和电压之比和非线性元件用等效平均基波线性元件代替，可用准线性方法分析。依均基波线性元件代替，可用准线性方法分析。依均基波线性元

22、件代替，可用准线性方法分析。依均基波线性元件代替，可用准线性方法分析。依据信号电压的等效平均线性元件的推导是基于静据信号电压的等效平均线性元件的推导是基于静据信号电压的等效平均线性元件的推导是基于静据信号电压的等效平均线性元件的推导是基于静态伏态伏态伏态伏-安和电压安和电压安和电压安和电压-电容有源器件特性。电容有源器件特性。电容有源器件特性。电容有源器件特性。第40页/共117页2.3负载牵引法负载牵引法 直接方法，也是一种借助实验手段的方法直接方法，也是一种借助实验手段的方法直接方法，也是一种借助实验手段的方法直接方法，也是一种借助实验手段的方法 确定功率放大器的增益、输出功率、非线性特确

23、定功率放大器的增益、输出功率、非线性特确定功率放大器的增益、输出功率、非线性特确定功率放大器的增益、输出功率、非线性特性与负载的性与负载的性与负载的性与负载的 关系关系关系关系 确定振荡器的频率牵引特性、振荡稳定区与负确定振荡器的频率牵引特性、振荡稳定区与负确定振荡器的频率牵引特性、振荡稳定区与负确定振荡器的频率牵引特性、振荡稳定区与负载的关系载的关系载的关系载的关系 在设计功率放大器时，用测量系统测在设计功率放大器时，用测量系统测在设计功率放大器时，用测量系统测在设计功率放大器时，用测量系统测出功率放大器在不同出功率放大器在不同出功率放大器在不同出功率放大器在不同 负载情况下的增益、输出负载

24、情况下的增益、输出负载情况下的增益、输出负载情况下的增益、输出功率、三阶交调失真及二次谐波，功率、三阶交调失真及二次谐波，功率、三阶交调失真及二次谐波，功率、三阶交调失真及二次谐波，用这些数据用这些数据用这些数据用这些数据在阻抗园图上画出负载阻抗的轨迹，从中选出在阻抗园图上画出负载阻抗的轨迹，从中选出在阻抗园图上画出负载阻抗的轨迹，从中选出在阻抗园图上画出负载阻抗的轨迹，从中选出 合适的参数作为设计依据合适的参数作为设计依据合适的参数作为设计依据合适的参数作为设计依据 优点：测试结果能使设计人员一目了然，便于优点：测试结果能使设计人员一目了然，便于优点：测试结果能使设计人员一目了然，便于优点：

25、测试结果能使设计人员一目了然，便于设计设计设计设计 采用计算机自动测试系统，测试结果可靠采用计算机自动测试系统，测试结果可靠采用计算机自动测试系统，测试结果可靠采用计算机自动测试系统，测试结果可靠 缺点：被测放大器的功率越大要求信号源功率缺点：被测放大器的功率越大要求信号源功率缺点：被测放大器的功率越大要求信号源功率缺点：被测放大器的功率越大要求信号源功率也越大也越大也越大也越大 无法测量激励频率的谐波阻抗，很难估无法测量激励频率的谐波阻抗，很难估无法测量激励频率的谐波阻抗，很难估无法测量激励频率的谐波阻抗，很难估计谐波影响。计谐波影响。计谐波影响。计谐波影响。第41页/共117页第第3章章

26、功率放大器的线性化技术功率放大器的线性化技术非线性电路基本概念与定义非线性电路基本概念与定义1 1放大器中的非线性现象放大器中的非线性现象2 2功率放大器的线性化技术功率放大器的线性化技术3 3第42页/共117页一、分布参数一、分布参数一、分布参数一、分布参数 分布电容分布电容分布电容分布电容存在于二个导体之间、导体与元器件存在于二个导体之间、导体与元器件存在于二个导体之间、导体与元器件存在于二个导体之间、导体与元器件之间、导体与地之间或者元件之间。之间、导体与地之间或者元件之间。之间、导体与地之间或者元件之间。之间、导体与地之间或者元件之间。引线电感引线电感引线电感引线电感，顾名思义是一种

27、元件间连接导线的电，顾名思义是一种元件间连接导线的电，顾名思义是一种元件间连接导线的电，顾名思义是一种元件间连接导线的电感，有时，也称之为内部构成电感。感，有时，也称之为内部构成电感。感，有时，也称之为内部构成电感。感，有时，也称之为内部构成电感。分布参数的影响在直流和低频时是不严重的。分布参数的影响在直流和低频时是不严重的。分布参数的影响在直流和低频时是不严重的。分布参数的影响在直流和低频时是不严重的。但是，随着频率的增加，影响越来越大。但是，随着频率的增加，影响越来越大。但是，随着频率的增加，影响越来越大。但是，随着频率的增加，影响越来越大。3.1非线性电路基本概念与定义第43页/共117

28、页二、二、二、二、RFRF频段是一种相对概念频段是一种相对概念频段是一种相对概念频段是一种相对概念集中参数频段可用集中参数频段可用集中参数频段可用集中参数频段可用“路路路路”的概念来分析的概念来分析的概念来分析的概念来分析分布参数则用分布参数则用分布参数则用分布参数则用“场场场场”的概念来分析。的概念来分析。的概念来分析。的概念来分析。RFRF频段与电路尺寸有关，电路尺寸只要小于八频段与电路尺寸有关，电路尺寸只要小于八频段与电路尺寸有关，电路尺寸只要小于八频段与电路尺寸有关，电路尺寸只要小于八分之一导波波长分之一导波波长分之一导波波长分之一导波波长(g g)，就可用路的概念来分析，就可用路的概

29、念来分析，就可用路的概念来分析，就可用路的概念来分析电路。电路。电路。电路。RFRF电路既可用路的概念分析问题，又可用分布电路既可用路的概念分析问题，又可用分布电路既可用路的概念分析问题，又可用分布电路既可用路的概念分析问题，又可用分布参数概念参数概念参数概念参数概念长线理论来分析，或者说，用长线理论来分析，或者说，用长线理论来分析，或者说，用长线理论来分析，或者说，用“路路路路”分析时，还要考虑分布参数的影响。分析时，还要考虑分布参数的影响。分析时，还要考虑分布参数的影响。分析时，还要考虑分布参数的影响。第44页/共117页三、趋肤效应三、趋肤效应三、趋肤效应三、趋肤效应 趋肤效应：趋肤效应

30、：趋肤效应：趋肤效应：acac电流流经导体时趋向于导体外边部电流流经导体时趋向于导体外边部电流流经导体时趋向于导体外边部电流流经导体时趋向于导体外边部分，而分，而分，而分，而dcdc电流流经整个导体。随着频率的升高，电流流经整个导体。随着频率的升高，电流流经整个导体。随着频率的升高，电流流经整个导体。随着频率的升高，趋肤效应形成了一个较小的导流带，结果，形成趋肤效应形成了一个较小的导流带，结果，形成趋肤效应形成了一个较小的导流带，结果，形成趋肤效应形成了一个较小的导流带，结果，形成了大于了大于了大于了大于dcdc电阻的电阻的电阻的电阻的acac电阻。电阻。电阻。电阻。趋肤深度示意图趋肤深度示意

31、图 趋肤深度：电流密度降到表面趋肤深度：电流密度降到表面趋肤深度：电流密度降到表面趋肤深度：电流密度降到表面电流密度电流密度电流密度电流密度1/e=1/2.718=0.3681/e=1/2.718=0.368处处处处的临界深度。的临界深度。的临界深度。的临界深度。趋肤效应引起的最明显的影响趋肤效应引起的最明显的影响趋肤效应引起的最明显的影响趋肤效应引起的最明显的影响就是引起信号传输途径中的损就是引起信号传输途径中的损就是引起信号传输途径中的损就是引起信号传输途径中的损耗增加。耗增加。耗增加。耗增加。第45页/共117页四、寄生耦合四、寄生耦合四、寄生耦合四、寄生耦合 RFRF电路中信号很容易从

32、电路内向外部和在电路内部电路中信号很容易从电路内向外部和在电路内部电路中信号很容易从电路内向外部和在电路内部电路中信号很容易从电路内向外部和在电路内部之间辐射。这样，造成了电路内部元件之间、电路之间辐射。这样，造成了电路内部元件之间、电路之间辐射。这样，造成了电路内部元件之间、电路之间辐射。这样，造成了电路内部元件之间、电路与他的环境之间、他的环境与电路之间的互相耦合。与他的环境之间、他的环境与电路之间的互相耦合。与他的环境之间、他的环境与电路之间的互相耦合。与他的环境之间、他的环境与电路之间的互相耦合。这种耦合又称之为寄生耦合，电路元件之间的耦合这种耦合又称之为寄生耦合，电路元件之间的耦合这

33、种耦合又称之为寄生耦合，电路元件之间的耦合这种耦合又称之为寄生耦合，电路元件之间的耦合造成了造成了造成了造成了RFRF电路中的寄生反馈，引起电路的不稳定及电路中的寄生反馈，引起电路的不稳定及电路中的寄生反馈，引起电路的不稳定及电路中的寄生反馈，引起电路的不稳定及性能下降。性能下降。性能下降。性能下降。地线上电位差引起的寄生反馈 第46页/共117页克服克服克服克服RFRF电路中寄生反馈的有效手段之一是屏蔽。电路中寄生反馈的有效手段之一是屏蔽。电路中寄生反馈的有效手段之一是屏蔽。电路中寄生反馈的有效手段之一是屏蔽。所谓屏蔽就是把易引起电磁辐射的元器件用金所谓屏蔽就是把易引起电磁辐射的元器件用金所

34、谓屏蔽就是把易引起电磁辐射的元器件用金所谓屏蔽就是把易引起电磁辐射的元器件用金属盒封蔽起来或者隔离开来，切断属盒封蔽起来或者隔离开来，切断属盒封蔽起来或者隔离开来，切断属盒封蔽起来或者隔离开来，切断(或削弱或削弱或削弱或削弱)他他他他们的电磁耦合途经，金属外壳要妥然接地。们的电磁耦合途经，金属外壳要妥然接地。们的电磁耦合途经，金属外壳要妥然接地。们的电磁耦合途经，金属外壳要妥然接地。屏蔽盒及接地 第47页/共117页五、公用电源的去耦合问题五、公用电源的去耦合问题五、公用电源的去耦合问题五、公用电源的去耦合问题 RF电路中电源的去耦合 第48页/共117页第49页/共117页六、无源元件(Pa

35、ssive Components)非线性电路大量使用无源元件，它们用于：阻抗匹配或转换 抵消寄生元件的影响(扩展带宽)提高选择性(调谐、滤波、谐振)移相网络、负载等等第50页/共117页RFRF电路中的电阻电路中的电阻电路中的电阻电路中的电阻 电阻的等效电路描述 电阻R的绝对值阻抗随频率的变化 第51页/共117页RFRF电路中的电感电路中的电感电路中的电感电路中的电感 高频电感线圈的等效电路 空心线圈的频率响应 第52页/共117页RFRF电路中的电容电路中的电容电路中的电容电路中的电容 高频电容电等效电路 引线电容的频率响应 第53页/共117页简单串、并联谐振回路与双调谐耦合谐振回路简单

36、串、并联谐振回路与双调谐耦合谐振回路简单串、并联谐振回路与双调谐耦合谐振回路简单串、并联谐振回路与双调谐耦合谐振回路LC谐振回路的电路结构 第54页/共117页特性特性特性特性串联谐振回路串联谐振回路串联谐振回路串联谐振回路并联谐振回路并联谐振回路并联谐振回路并联谐振回路阻抗阻抗阻抗阻抗幅频特性幅频特性幅频特性幅频特性相频特性相频特性相频特性相频特性谐振电阻谐振电阻谐振电阻谐振电阻r r r r谐振频率谐振频率谐振频率谐振频率谐振回路特性谐振回路特性 第55页/共117页谐振回路特性谐振回路特性 特性特性特性特性串联谐振回路串联谐振回路串联谐振回路串联谐振回路并联谐振回路并联谐振回路并联谐振回

37、路并联谐振回路QQ值值值值特性阻抗特性阻抗特性阻抗特性阻抗阻阻阻阻抗抗抗抗特特特特性性性性感性感性感性感性容性容性容性容性纯阻（纯阻（纯阻（纯阻（r r r r）纯阻（纯阻（纯阻（纯阻（R R R R0 0 0 0）容性容性容性容性感性感性感性感性通频带通频带通频带通频带注：式中注：式中注：式中注：式中为广义失谐为广义失谐为广义失谐为广义失谐 第56页/共117页品质因数的物理意义品质因数的物理意义 品质因数实际上描绘的是系统储能与耗能之间的关系。第57页/共117页七、Smith Chart 反射系数平面上的阻抗和导纳反射系数平面(平面)反射系数 可以用一个平面直角坐标中的点(X,Y)来表示

38、，X和Y 分别是它的实部和虚部，即G=X+jY，这是一一对应的关系。还和阻抗存在一一对应的关系因此阻抗也和平面上的点存在一一对应的关系 将反射系数表达式中的阻抗对传输线的特征阻抗Z0 进行归一化：z=Z/Z0=r+jx，进一步得到第58页/共117页第59页/共117页第60页/共117页第61页/共117页第62页/共117页第63页/共117页第64页/共117页 Smith Chart 的应用 读取阻抗、导纳、反射系数、驻波比等 LC和传输线匹配网络设计 微波、射频放大器设计 噪声系数 增益 稳定系数 微波、射频振荡器设计 小结 史密斯圆图是反射系数平面上的阻抗和导纳坐标系 平面直角坐标

39、(反射系数)和圆坐标(阻抗和导纳)的结合使LC和传输线电路的计算变得非常直观，在高频放大器设计中有广泛的应用第65页/共117页八、阻抗变换及匹配：概述八、阻抗变换及匹配：概述 为什么要匹配 在传输中获得最大的功率或效率 保证系统具有正确传输特性(例如LC滤波器需要匹配负载)提高信噪比(降低噪声系数)减少由于反射引起的信号失真 确保电路稳定 为各模块之间提供方便、可靠的连接 为什么低频信号不需要匹配(想想弹簧的情况)从波长与器件/传输线尺寸的关系看，信号在传输过程中的相位与幅度近似不变 从周期与传输时间上看，虽然反射仍然存在，但是在信号的有效周期内将会衰减到可以忽略(极限情况：DC)第66页/

40、共117页 为什么逻辑电路通常不需要匹配 这是一个能量(或功率、信噪比)与状态的区分问题，与高频模拟电路不同，逻辑电路中所传递的是电平的高低状态 两种不同的匹配概念 对传输线阻抗的匹配：ZL=Z0 对信号源阻抗的匹配：ZL=Zs*匹配网络设计的一些考虑 工作频率 带宽或Q值 实现方式和结构 阻抗匹配/变换网络的基本形式 LC阻抗变换技术 传输线匹配技术 变压器第67页/共117页uLC 阻抗变换网络第68页/共117页第69页/共117页第70页/共117页第71页/共117页第72页/共117页第73页/共117页u传输线阻抗变换第74页/共117页第75页/共117页3.2 放大器中的非线

41、性现象放大器中的非线性现象 Gain and Phase depends on Input Signal Gain and Phase depends on Input Signal 3rd Order Gain-Nonlinearities:3rd Order Gain-Nonlinearities:第76页/共117页 Higher Output Level(close to Saturation)Higher Output Level(close to Saturation)results in more Distortion/Nonlinearityresults in more Di

42、stortion/Nonlinearity第77页/共117页Nonlinearity leads to?Nonlinearity leads to?Generation of Harmonics Generation of Harmonics Intermodulation Distortion/Spectral Intermodulation Distortion/Spectral RegrowthRegrowth SNR(NPR)Degradation SNR(NPR)Degradation Constellation Deformation Constellation Deformat

43、ion第78页/共117页Intermodulation and Harmonics第79页/共117页Spectral RegrowthSpectral Regrowth Energy in adjacent Channels Energy in adjacent Channels ACPR(Adjacent Channel Leakage Power ACPR(Adjacent Channel Leakage Power Ratio)increasesRatio)increases第80页/共117页Reduced NPR(Noise Power Ratio)Reduced NPR(Noi

44、se Power Ratio)Input Signal Input Signal Output Signal of Output Signal ofNonlinear AmplifierNonlinear Amplifier Degradation of Inband SNR Degradation of Inband SNR Noisy Constellation Noisy Constellation第81页/共117页Constellation DeformationConstellation Deformation Input Signal Input Signal Output Si

45、gnal of Output Signal ofNonlinear AmplifierNonlinear Amplifier(with Gain-and Phase-(with Gain-and Phase-Distortion)Distortion)第82页/共117页AM/AM-and AM/PM-Conversion GaAs-PA GaAs-PA第83页/共117页AM/AM-and AM/PM-Conversion LDMOS-PA LDMOS-PA第84页/共117页3.3功率放大器中的线性化技术功率放大器中的线性化技术A A A负反馈线性化技术负反馈线性化技术B B B预失真技术

46、预失真技术C C C前馈技术前馈技术第85页/共117页Direct(RF)Direct(RF)FeedbackFeedback直接反馈技术直接反馈技术直接反馈技术直接反馈技术 负反馈负反馈负反馈负反馈线性化技术线性化技术线性化技术线性化技术Distortion Distortion FeedbackFeedback间接反馈技术间接反馈技术间接反馈技术间接反馈技术第86页/共117页 Classical Method Classical Method Decrease of Gain Decrease of Gain Low EfficiencyLow Efficiency Feedback

47、needs more Bandwidth than Signal Feedback needs more Bandwidth than Signal Stability Problems at high Bandwidths Stability Problems at high BandwidthsDirect(RF)FeedbackDirect(RF)Feedback第87页/共117页单级1W功率放大器相频特性 第88页/共117页Distortion FeedbackDistortion Feedback Feedback of outband Products only Feedbac

48、k of outband Products only Higher Gain than RF feedback Higher Gain than RF feedback Stability Problems due to Reverse Stability Problems due to Reverse LoopLoop第89页/共117页预失真技术（预失真技术（预失真技术（预失真技术（PredistortionPredistortion）预失真的预失真的IM3IM3与与AMAM，PNPN失真的关系失真的关系 第90页/共117页数字预失真（数字预失真（数字预失真（数字预失真（Digital

49、PredistortionDigital Predistortion）Digital Implementation of Cartesian Feedback Digital Implementation of Cartesian Feedback Additional ADCs,DSP Power,Oversampling needed Additional ADCs,DSP Power,Oversampling needed Loop can be opened no Stability Problems Loop can be opened no Stability Problems第9

50、1页/共117页模拟预失真模拟预失真（Analog Predistortion）Predistorter has inverse Function of Amplifier Predistorter has inverse Function of Amplifier Leads to infinite Bandwidth(!)Leads to infinite Bandwidth(!)Hard to realize(accuracy)Hard to realize(accuracy)第92页/共117页Analog PredistortionAnalog Predistortion Possi