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什么是高功率放大器
1、用途及特點
HPA在發信電路部位如圖1所示。
高功放主要作用，是在發射頻率上，將低電平信號放大到遠距離傳輸所要求的高功率電平。
因頻段、傳輸距離、天線增益、信號調制方式等因素，不同發射機HPA輸出功率差異甚大。在常用微波頻段（800MHz~28GHz）可從幾十瓦到幾十毫瓦不等。
高功放電路特點：
（1） 在大容量（或多載波）數字通信系統，設計HPA電路尤其是末級電路，常發生大功率輸出與線性要求之間矛盾。經常采用三種解決辦法
* 采用平衡放大電路，其合成輸出功率較單管增加一倍且保持單管線性。在常用微波頻段經常用下圖所示正交混合電路（或3dB橋）實現功率合成。
* 采用預失真補償電路，設計一個預失真網絡使它產生的三階互調與HPA三階互調在輸出合路器中相互抵消。構成方式如下圖所示，
? 予失真補償電路設計復雜、帶寬窄，使用不普遍。?
（注：ALC與大容量長距離數字微波采用的ATPC不同，前者是以保持發射機輸出功率恒定，防止失真為目的，采用的是開環控制方式。而自動發射功率控制（ATPC）是發射機功率受控于對端接收電平，當電波傳播發生深度平衰落時，提高發射功率，最大可達到額定功率。在正常傳輸時間里使發射功率小于額定功率10dB。采用的是閉環控制方式。是以減輕干擾、抗平衰落為目的。）?
（2）HPA采用的大功率器件都呈現極低的輸入、輸出阻抗，其阻抗實部絕對值很小，都在1~3歐姆左右，而容抗和引線電感很大。對這樣的大功率器件進行輸入、輸出和級間匹配非常困難。因單片微波集成電路（MMIC）技術的發展，許多廠家已制造出輸入輸出內匹配的大功率器件，大大地緩解設計難度。?
（3）HPA輸出級必須要考慮空載保護。若與輸出負載間發生嚴重失配（如，連接天線饋線開路或短路）末級與輸出負載電路之間將產生大駐波電壓，駐波峰值電壓一旦落在器件漏極，它與供電電壓迭加將使器件擊穿。
在微波頻段常采取二種保護方法，在4GHz以上頻段借助于輸出隔離器中的反向吸收負載R吸收反射波，它如下圖所示，
?
設計工程師可根據工作頻率、電路結構選取分布參數或集中參數定向耦合器。
（注：定向耦合器是互易器件，當信號從原規定的“IN”口輸入改為“OUT”口輸入時，其耦合口“COUP”和隔離口“ISO”也將互換。定向耦合器常用二個參數表征如下：
耦合量?? CdB = 10log(Pco/Pin)
方向性?? DdB = 10log(Pco/Pis)
其中? Pin , Pco , Pio 分別為入口輸入功率、耦合口及隔離口輸出功率。） ?
（4）目前在HPA電路常用高頻大功率砷化鎵場效應晶體管（GaAsFET）或者用其管芯制作的MMIC“放大塊”，開關機時，如柵偏壓稍遲后于漏壓或無柵壓時即會損壞。因而偏置電路要有保護措施，下圖為保護措施之一。
?
根據所用器件，高功放大致可分成三種類型：
* 硅雙極晶體管（Si Bipolar Transistor）功率放大器。在大功率放大時，單管增益及效率低，帶寬窄，線性及反向隔離差，它通常用于3GHz以下頻段，其優點是便宜和不需負偏壓。但目前已逐漸被場效應晶體管功放所代替。
* 砷化鎵場效應晶體管（GaAs Field-Effect Transistor）功率放大器。它包括由砷化鎵場效應晶體管管芯制成的內匹配單片微波集成電路（MMIC）。這類器件工作頻率及效率高，線性及反向隔離性能都優于硅雙極晶體管，目前商用化器件最高工作頻率可達40GHz,實驗室可達80GHz。尤其內匹配MMIC集成功放塊帶寬寬、穩定得到普遍應用。需要負偏置及偏置保護電路是缺點。
*砷化鎵異結質雙極晶體管（GaAs Heterojunction Bipolar Transistor）功率放大器。這種器件特別適宜功放應用，它有砷化鎵場效應晶體管一樣好的性能（特別在線性和高耐壓性能上更好些），同時它又克服了需要負偏置及偏置保護電路的缺點。它發展歷史較短（走出實驗室僅十年）在大功率應用可靠性上人們還不放心。?
2、電路構成及工作原理
高功放只是發信設備的一個組成部分，它的構成和功能完全取決于整個設備性能的要求。不同用途的發信設備其具體電路構成和實現的功能會有差別。例如下面給出的7GHz微波發射機功放電路其輸入為恒定電平，該電路不帶ALC功能。
? 功能框圖及主要電路組成如圖2所示。
? 圖2 給出7GHz 發射機功放框圖和主要電路。
? 該電路由五級放大組成，前四級為單管串聯放大，末級為平衡功率放大。按各級功能和所處位置也可稱作低噪聲放大級、驅動級、末前級、末級。整個放大器采用二種封裝工藝砷化鎵場效應器件，前三級放大用分立元件場效應晶體管，后二級用單片微波集成電路MMIC，并采用帶保護電路的雙極性偏置電壓（具體電路省略）。該電路總增益40dB,線性輸出2瓦（33dBm）。
? 各部分作用：?
? 低噪聲放大級- 眾所周知，變頻式發射機輸出噪聲主要成分是調相噪聲，其主要來源是發射振蕩器產生的相位噪聲。所以在發射機指標中都要規定振蕩器相噪，而對這類發射機中的HPA熱噪聲要求不高，通常HPA噪聲系數在6~ 8dB時都可滿足要求。在直放式發射機中，盡管輸出噪聲主要成分是熱噪聲，因直放機收信輸入端都有精心設計的高增益低噪聲放大器（LNA），它有足夠高的增益和極小噪聲系數，從而減輕了對HPA低噪聲要求。
? 相對于接收機低噪聲放大級而言，在HPA中提出低噪聲放大概念似乎不恰當，但它畢竟是多級級聯放大器輸入級，是HPA本身熱噪聲的主要來源，相對HPA其他級而言，對HPA前級要提出低噪聲高增益要求。?
?驅動級- 采用平衡式末級輸出方案時，末前級輸出功率與末級單管輸出功率幾乎相近，它為末前級提供足夠地輸入激勵功率。驅動級通常采用中功率輸出器件。?
? 末前級- 末前級功放主要作用是補償末級輸入正交耦合器分路損耗（3dB），并為二只并聯末級功放管提供輸入功率。?
末級- 如圖2所示，它采用二只相同特性的MMIC功率放大塊和二只相同特性的正交耦合器組成平衡功率放大器。為取得良好性能，上、下二支路應當在工作頻段保持幅度、相位特性相同。這樣結構的輸出功放有三個特點，
? * 較單管線性最大輸出功率提高3dB。
? * 如下圖所示，利用輸入端正交耦合器相位正交特性，使上、下二支路放大管入端反射波在正交耦合器入口抵消，有效地改善了末級與末前級之間匹配。
?
即表明，當正交耦合器輸出端口2和4接相同負載時，返回到端口1的合成反射波抵消。實際電路不會理想對稱，合成反射波不會完全抵消，然而卻能顯著地改善末級與末前級之間匹配。
?? * 當某一MMIC放大塊損壞時，另一放大塊仍可正常工作（僅功率較原先降低6dB）。?
? 隔離器- 該器件輸入、輸出阻抗在很寬頻帶內等于特性阻抗，并且正向傳輸損耗很小（通常0.5dB以下）而反向傳輸損耗很大（通常25dB以上），即有單向傳輸特性。它常用在多級高增益放大器的輸入、輸出、級間電路吸收反射波改善匹配，使帶內正向傳輸特性（如幅頻特性、時延特性）更平坦，同時它又在很寬頻帶內產生反向損耗，減小后級對前級耦合，從而有效防止帶內、帶外自激。其中末級輸出隔離器還肩負輸出負載開路保護作用。?
? 末級耦合輸出-用于輸出功率監測。?
3、高功放電氣特性
這里討論的高功放，它是具體發射機的一部分，對電氣指標要求以及指標項目規定完全取決于正機指標的規定和分配，它與商用說明書供用戶選用參考的通用放大器所規定的指標和項目有所不同。
1）??? 工作頻段-是指放大器滿足或優于所規定的電氣性能時，實際所要求的工作頻率范圍。（注：放大器是寬帶部件，其3dB帶寬較“工作頻段”寬得多。）
2）??? 額定輸出功率-在規定的輸入電平和滿足傳輸線性條件下，在規定的負載上所要求的輸出功率值。為滿足工作溫度變化，通常以常溫值為標準規定上、下限，如 P+0dB-2dB ?。輸出功率是絕對值，單位用W,mw,dBm,dBw表示 。（注：在測試發射機額定輸出功率指標時，必須在調制狀態下用功率計測試，而高功放應在工作載波狀態下用頻譜儀測試。）
3）??? 增益-放大信號輸出與輸入功率之比，它是相對量，通常用dB表示。通常在中心頻率額定輸出電平下測量。
4）??? 幅頻特性（或帶內波動）-它定義為放大信號輸出幅度隨頻率的變化量。它用工作頻率范圍內最大輸出幅度與最小幅度（用dB單位）差值表示。該差值即是用dB表示的放大器輸出幅度隨頻率變化的峰-峰值。例如，要求帶內波動小于等于0.3dB時，可表示為ΔAp-p≤0.3dB。應指出，該指標不計入幅度隨溫度的變化量。當放大器件確定后，放大器幅頻特性主要決定因素是
?輸入、輸出、級間匹配特性。該參數利用矢量網絡分析儀測量。
5）??? ?傳輸（相對）時延（或傳輸相位特性）-它定義為放大信號通過放大器所需要的傳輸時間隨頻率的變化量。它用工作頻率范圍內最大傳輸時間與最小傳輸時間（用ns,μs單位）差值表示。該差值即表示放大器傳輸（相對）時延峰-峰值。例如，要求帶內(相對)時延小于等于3ns時，可表示為Δτp-p≤3ns。應指出，該指標不計入時延隨溫度的變化量。當放大器件確定后，時延主要決定輸入、輸出、級間電路匹配及電抗特性。
fh
fl
τmin
τmax
 | |||
? | |||
???? 該參數利用矢量網絡分析儀測量。
6）??? 噪聲系數-定義輸入信噪比與輸出信噪比的比值，?
???????????????? Nf =(Si/Ni)/ (So/No)
???????????????? Nf dB=10log(Nf)
???? (注-噪聲系數另種表示方法（它在衛星通信中常用），用噪聲溫度表示Tn,單位kelvin, 二者關系：Nf dB=10log(Tn/290+1) 。)
7）??? 雜散發射（Spurious emissions）-尚未見到通用定義，具體定義及測試方法必須參照相應的技術標準。
???????? 例如，在英國郵電部（MPT1407）標準中，數字微波發射機雜散定義為：必要帶寬以外頻率發射（并且不包括由調制過程產生的必要帶寬以外頻率的發射），必要帶寬定義為二倍的傳輸符號率。同時指明必須在載波狀態下測量。
???????? 盡管各系統雜散發射定義有所差異，但下述概念一致
???????? *雜散發射包括諧波發射、寄生（自激）發射、互調產物、變頻產物，
???????? *雜散發射值用規定的參考帶寬內平均功率表示，
???????? *用頻譜儀測量。
功放是發射機一個部件，功放雜散發射測量頻率范圍及指標規定應由具體發射機分配而定。功放雜散產物主要是寄生發射，建議在加載波和不加載波二種狀態下測量。
互調失真-在工作頻帶二個或以上單音信號通過功放后，因放大器非線性在其輸出端產生諧波及組合頻率產物，用它衡量放大器線性。
通常用二個單音在額定輸出電平測量。雙音互調失真譜如下圖，通常二階和三階產物是主要成分且距工作頻帶最近。
僅為了衡量通帶內放大器線性且帶寬小于一個倍頻程時，經常將三階互調和互調失真等同，并只測三階互調。當測一個系統的互調衰減時應根據所規定的測量頻率范圍對所有的互調產物測量。
?? 用二個單音測量三階互調時，可用二種方法表示互調失真，
用絕對電平??? Pim3??? (dBm)
用相對電平??? (IM3)dB=10log(P im3/P)?? (dBc)
?? 假如知道輸入信號功率Pin和放大器輸出三階截斷點OIP3及增益G，可求出
三階互調絕對電平???? Pim3=3（Pin+G）- 2OIP3???? ?(dBm)
三階互調相對電平??? ( IM3)dB=-2{OIP3-（Pin+G）}?? ?(dBc)
應指出，上述公式是近似公式，僅用于選取放大器時參考。如果僅知道放大器1dB增益壓縮點P1dB，可近似估算OIP3≈10+ P1dB 。?
多級放大器互調失真計算：
其中(IM3)1 ,......(IM3)n 為用功率比值表示的每級互調失真，(IM3)TOT為總互調失真。當每級互調電壓相位彼此無關時，用功率比值表示的總互調失真與每級關系??
????? (IM3)TOT=(IM3)1+(IM3)2+......+(IM3)N?
當每級互調電壓相位同相時，用功率比值表示的總互調失真與每級關系?
[(IM3)TOT]1/2=[(IM3)1]1/2+[(IM3)2]1/2+......+[(IM3)N]1/2?
舉例，三級放大器要求總互調失真 [ (IM3)TOT]dB=-52dBc,分配給第一級互調量占總互調10% ,第二級占總互調20% ，末級占總互調70% 。用二種方法計算每級互調失真。
當認為每級互調電壓相位彼此無關時，用前一公式得到
[ (IM3)1]dB=-62.00dBc,? [ (IM3)2]dB=-58.99dBc,? [ (IM3)1]dB=-53.55dBc,?
當認為每級互調電壓相位同相時，用后一公式得到?
[ (IM3)1]dB=-72.00dBc,? [ (IM3)2]dB=-65.99dBc,? [ (IM3)1]dB=-55.10dBc 。
輸入和輸出駐波比VSWR-放大器的VSWR是放大器的實際阻抗離開所規定的阻抗Z0的量度，它可以由反射系數導出?
ρ=(Z- Z0)/ (Z+ Z0)?
VSWR=(1+︱ρ︳)/ (1-︱ρ︳) ,它的另種表示方法是反射（回波）損耗
?? ρdB =20log︱ρ︳???? (dB)?
放大器動態范圍-動態范圍有多種定義，經典定義有二種，線性動態范圍定義和無雜散動態范圍。
?? 線性動態范圍定義為放大器輸入口最小可檢測信號與放大器滿足線性要求時最大輸入電平之間的差值。
?? 無雜散動態范圍定義為當放大器最小可檢測輸出電平與放大器輸入等雙音時在輸出口產生的互調相等時，放大器輸入口最小可檢測信號與放大器等雙音輸入電平差值。
?? 上定義在放大器不常用，因HPA關心的是最大線性功率輸出。?
?? 為設計者能根據所規定的最小檢測電平計算放大器動態范圍，往往給出HPA的1 dB 壓縮點輸出功率P1dB （或者OIP3）以及 噪聲系數Nf dB ，再比較計算動態范圍。
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