1、實驗四：射頻功率放大器【實驗目的】通過功率放大器實驗，讓學生了解功率放大器的基本結構，工作原理及其設計步驟，掌握功率放大器增益、輸出功率、頻率范圍、線性度、效率和輸入/ 輸出端口駐波比等主要性能指標的測試方法，以此加深對以上各項性能指標 的理解。【實驗環境】1 實驗分組：每組24人2實驗設備：直流電源一臺，頻譜儀一臺，矢量網絡分析儀一臺，功率計一只， 10dB 衰減器一個，萬用表一只，功率放大器實驗電路 板一套【實驗原理】一、功率放大器簡介功率放大器總體可分成A、 B、 C、 D、 E、 F 六類。而這六個小類又可以歸入不同的大類，這種大類的分類原則，大致有兩種：一種是按照晶體管的導通情況分，

2、 另一種按晶體管的等效電路分。按照信號一周期內晶體管的導通情況，即按導通角大小，功率放大器可分 A B、C三類。在信號的一周期內管子均導通，導通角 180 （在信號周期一周內，導通角度的一半定義為導通角） ，稱為 A類。一周期內只有一半導通的成為B 類，即90 。導通時間小于一半周期的稱為C 類，此時90 。如果按照晶體管的等效電路分，則A、 B、 C 屬于一大類，它們的特點是：輸入均為正弦波，晶體管都等效為一個受控電流源。而D、E、 F 屬于另一類功放，它們的導通角都近似等于90 ，均屬于高功率的非線性放大器。二、功率放大器的技術要求功率放大器用于通信發射機的最前端，常與天線或雙工器相接。它

3、的技術要求為：1 . 效率越高越好2 . 線性度越高越好3 . 足夠高的增益4 .足夠高的輸出功率5 .足夠大的動態范圍6 .良好的匹配（與前接天線或開關器）三、功率放大器的主要性能指標1 .工作頻率2 .輸出功率3 .效率4 .雜散輸出與噪聲5 .線性度6 .隔離度四、功率放大器的設計步驟1 .依據應用要求（功率、頻率、帶寬、增益、功耗等），選擇合適的晶體管2 .確定功率放大器的電路和類型3 .確定放大器的直流工作點和設計偏置電路4 .確定最大功率輸出阻抗5 .將最大輸出阻抗匹配到負載阻抗（輸出匹配網絡）6 .確定放大器輸入阻抗7 .將放大器輸入阻抗匹配到實際的源阻抗（輸入匹配網絡）8 .仿

4、真功率放大器的性能和優化9 .電路制作與性能測試10 .性能測量與標定五、本實驗所用功率放大器的簡要設計過程1. PA設計的性能指標頻段/GHz線性增益/dB>=30等駐波比VSWR二1dB壓縮點 P1dB/dBm>=20增益平坦度/dB±12 .晶體管的選擇本實驗所選用的晶體管為安捷倫公司的 ATF54143_PHEM企種晶體管 適合用來設計功率放大器。單管在處能達到的最大資用增益大于 18dB, 而1dB壓縮點高于21dB。3 . LNA電路萬案的確定為滿足設計的性能指標，PA的電路方案采用兩級放大，前后兩級偏置 電路使用對稱結構。確定功率放大器工作點負載線的中點，使

5、它工作在A類，具有很好的線性度。第一級采用最大增益匹配，第二級輸出匹配網絡 采用功率匹配，級間共腕匹配。4 .直流（電壓/電流）偏置電路設計本實驗所用功率放大器采用基極分壓射極偏置電路，但將它的射頻扼 流圈換為一端開路的四分之一波長傳輸線。這樣就綜合了基極分壓射極偏 置電路和傳輸線偏置法的優點，既能使放大器的工作點穩定又能抑制偶次諧波，還能改善放大器的穩定性。圖1偏置電路上圖中，R1與R2一起構成分壓回路，R3為限流電阻，旁路電容 C2 C3與四分之一波長傳輸線L1、L2起阻止基波流向直流源并抑制偶次諧波 的作用。電容C4 C5起隔直通交作用，而旁路電容C1負責濾除直流源的 雜散信號。5.阻抗

6、匹配/轉換電路設計阻抗匹配/轉換電路設計取決與放大器要求的增益、輸出功率、效率、 線性度和交調失真比等指標。PA阻抗匹配/轉換電路設計基本步驟：1）確定最大功率傳輸負載阻抗2）將最大功率傳輸負載阻抗匹配到實際的負載阻抗3）確定放大器輸入阻抗4）匹配放大器輸入阻抗到信號源阻抗功率放大器的匹配網絡均采用單節短截線匹配法。匹配順序為從后級往前級匹配。第二級的輸出匹配網絡采用功率匹配，即確定晶體管的最大功率傳輸負載阻抗，將所得到的最大功率傳輸負載阻抗匹配到實際負載阻抗，輸出端匹配好以后，測出此時晶體管的輸入阻抗。第一級采用最大增益匹配，將其要求的輸出阻抗共軛匹配到第二級的輸入阻抗，再將其輸出阻抗匹配到

7、實際的負載阻抗。這樣就完成了整個放大器的匹配電路設計。偏置電路和匹配電路設計好以后，整個功率放大器本身的設計已完成。為了保險起見，還需設計一個直流保護電路，以保證當輸入的直流電壓和電流過大時，功率放大器電路不會受到損壞。六、實驗使用的PA電路圖圖2 PA實驗電路的原理圖u 二B-0LNA_RFM=nPA+LNA , GA ga-RFo ur-rC Lab , UESTC圖3 PA版圖圖4 PA實驗電路平臺PA+LNA【實驗內容】1 .參考實驗原理圖，理解功率放大器設計的基本方法。2 .在功率放大器實驗電路板上測量 PA的主要技術指標:a. 功率增益(Gain)b. 頻率范圍(Frequency

8、 Range)c. 回波損耗(Return Loss )d. 駐波比(Stand Wave Ratio )壓縮點(1dB Power)f.三階交調點(OIP3 and IIP3)【實驗步驟】1 .在做實驗之前，觀察實驗板的電路結構，認清各部分電路元件的作用， 體會PA的工作原理。2 .準備工作1)調整直流源，輸出端口選擇為端口 1,將輸出電壓設定為3V,電流限 定在125mA2)校準矢量網絡分析儀，校準的頻率范圍：，矢網輸出功率為-20dBm, 保存校準文件。3)校準功率計，使信號發生器的真實輸出與功率計上所顯示的功率值一 致。3 .測試1 )直流工作點的測試將功率放大器的直流輸入端連接到直流

9、源的端口1,按下直流源的輸出鍵，觀測此時直流源的電壓輸出值 Vcc和電流輸出值Icc并做記錄使用萬用表，分別測前后兩級EPHEMTVgs和Vds ,并做相應記錄， 以此可以確定兩級EPHEMT直流工作點Q1和Q22 ) PA的主要性能指標測試將PA的射頻輸入端連接到矢量網絡分析儀的端口 1,射頻輸出端 接到矢網的端口 2。按下矢網的Power ON鍵，采用頻率掃描，測量并 保存PA的S參數，用Marker鍵找出增益即S21的最大值，其對應的頻 點為中心頻率，并找出增益下降1dB的頻率范圍(1dB帶寬)。利用測得的Sii和S22,可以分別得出LNA的射頻輸入和輸出端口的 回波損耗，通過計算公式1

10、 SiiSWR1 Sii可得出PA的射頻輸入和輸出端口的駐波比 SWR由此可以看出PA的輸 入和輸出的匹配好壞。采用功率掃描，掃描范圍：-20dBm-5dBm,中心頻率為上面得出 的中心頻率點，用Marker找出增益下降1dB時的輸入功率的大概位置，這樣可以粗略確定P1dB的大小。將PA的射頻輸入端接到信號發生器的輸出端，射頻輸出端接到功 率計的探頭，打開射頻源，輸入功率從-25dBm到-5dBm進行掃描，記下 相應的輸出功率值。設置信號源，使其輸出雙音頻信號，中心頻率為，頻率間隔為2MHz 將PA的射頻輸入端連接到信號源的輸出端，射頻輸出端接頻譜儀的輸 入端。開啟信號源，輸出功率從-20dB

11、m到-5dBm依次掃描，記下PA相 應的輸出功率。【實驗記錄與分析】1 .實驗小組成員及實驗環境實驗時間實驗地點及溫度小組名稱成 員（W-學號）實驗設備名稱直流電源信號源頻譜儀功率計型號SML03FSV7E4418B2 .實驗數據記錄與分析1）直流工作點 直流源的輸電壓Vcc和電流Icc記錄：Vcc=3V,Icc=122mA 前后兩級EPHEMTVgs、Vds和Ids,以此計算分析得出兩級 PHEMT 的直流工作點Q1和Q2Q1:VGSV DSI DS3V58mAQ2:VGSV DSI DS3V61mA2) PA的主要性能指標：保存放大器的S參數，不同射頻輸入功率點的輸出功率、三階交調 功率列

12、表，并記下當前的測試環境。PA的S參數：測試條件：設備為N5230A矢量網絡分析儀，射頻輸入功率為-20dBm, 測試的頻率范圍：。mlfreq=1.950GHz dB(S(2,1)=31.688m2freq=2.090GHzm3freq=2.210GHz dB(S(2,1)=29.6665o o o 。 。 2 2 4 6- - - ma MTS Bd m2 MCSTBd m2 9CSTBd n 9CSTBdm4freq=2.090GHzdB(S(2,2)=-11.2不同射頻輸入功率點的輸出功率、三階交調功率列表：測試條件：設備為E4418B功率計和FSP4刖譜儀，射頻輸入信號頻率為，掃描的

13、功率范圍：-22dBm-7dBmPin (dBm-22-21-20-19-18-17-16-15Pout (dBmIM 3 (dBm-45-42-39-36-33-30-27-24Pin (dBm-14-13-12-11-10-9-8-7Pout (dBm19IM 3 (dBm-21-18-15-123 ）分析中心頻率fo 2.09GHz頻率范圍1dB 帶寬 BW1dB 2.21 1.95 0.16GHz 增益隨頻率的變化表格和曲線 射頻輸入端的回波損耗p ssor- t_peR tuo SSOL FpeR 射頻輸入輸出端的駐波比freq, GHz由駐波比可看出PA的輸入匹配均比較好 根據輸出功率隨輸入功率的變化表格及曲線，找出1dB壓縮點【實驗結論】從實驗數據及分析可以看出，本實驗所使用的功率放大器的增益、頻率范圍、 線性度、 回波