隨著廣播進(jìn)入數(shù)字化的發(fā)展模式，生產(chǎn)和運(yùn)行的全固態(tài)PDM和DAM中波廣播發(fā)射機(jī)中的射頻功率放大器，也就是功放末級全部采用了場效應(yīng)管橋式丁類放大器。高頻功率放大器實質(zhì)是一種受控源能量轉(zhuǎn)換器，在高頻振蕩電壓激勵下，將電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換成高頻交流能量。因場效應(yīng)管在低躁聲、大功率、高效益方面的性能十分優(yōu)越而得到廣泛應(yīng)用，是功率放大器最理想的放大器件，特點(diǎn)是輸入阻抗高、輸出功率大、開關(guān)速度快，通頻帶寬、高頻特性好。調(diào)制功放是全固態(tài)中波廣播發(fā)射機(jī)中的高電壓、大電流匯聚之處，是絕對的故障高發(fā)區(qū)。無論是1 kW、10 kW、50 kW的全固態(tài)PDM或DAM機(jī)中，這一塊大同小異，一般中、小功率機(jī)上調(diào)制和功放是分開的，中大功率機(jī)上則合二為一，統(tǒng)稱調(diào)制功放，多見于50 kW、100 kW、150 kW機(jī)，加工成獨(dú)立小合，便于維修和互換。

電路結(jié)構(gòu)和原理

射頻功率放大器不同于其它工作于甲類、乙類、丙類的電子管射頻功率放大器，不需要高電壓；也不同于其它低頻功率放大器，沒有多少帶寬。丁類放大器中場效應(yīng)管工作于開關(guān)狀態(tài)，漏極耗散功率非常低，雖然開、關(guān)過度期工作在線性區(qū)功率很大，但工作頻率高，過度期非常短，工作效率比以往功率放大器大大提高，實際上就可以做到百分之九十以上。

場效應(yīng)管丁類放大器都是由兩個或以上成對的管子組成，它們分成兩組輪流導(dǎo)通，合作完成功率放大任務(wù)。控制場效應(yīng)管工作于開關(guān)狀態(tài)的激勵電壓可以是正弦波也可以是方波。實際電路有兩種，即電流開關(guān)型和電壓開關(guān)型。因為電流開關(guān)型電路中，輸出電流是方波，工作頻率高時場效應(yīng)管開關(guān)轉(zhuǎn)換時間不能忽視，所以中波廣播發(fā)射機(jī)中采用電壓開關(guān)型電路。分為全橋和半橋兩種工作方式。

橋式功放就是現(xiàn)在生產(chǎn)和運(yùn)行的中波廣播發(fā)射機(jī)中的射頻功率放大器，橋式功放是由4個場效應(yīng)管按電橋形式連接，以丁類開關(guān)放大方式工作的連接方式被叫做橋式功放，此全橋連接方式是一個H型，故又稱為H型丁類放大器。全橋電路是由兩個半橋組合而成，左右兩部分的輸出與相對的合成變壓器初極線圈首尾相連，這種結(jié)構(gòu)類似傳統(tǒng)推挽電路形式。兩個射頻功率放大器被設(shè)計成由獨(dú)立電源系統(tǒng)供電，推動信號也是由電橋兩部分各自獨(dú)立輸入，射頻功率放大器這個半橋工作方式就被利用到預(yù)推動級。

固態(tài)射頻功率放大器技術(shù)及分類

1. 射頻微波功率放大器及其應(yīng)用

放大器是用來以更大的功率、更大的電流，更大的電壓再現(xiàn)信號的部件。在信號處理過程中不可或缺的放大器，既可以做成用在助聽器里的微晶片，也可以做成像多層建筑那么大以便向水下潛艇或外層空間傳輸無線電信號。

功率放大器可以被認(rèn)為是將直流（DC）輸入轉(zhuǎn)換成射頻和微波能量的電路。

不僅是在電磁兼容領(lǐng)域需要在射頻和微波頻率上產(chǎn)生足夠的功率，在無線通信、雷達(dá)和雷達(dá)干擾，醫(yī)療功率發(fā)射機(jī)和高能成像系統(tǒng)等領(lǐng)域都需要，每種應(yīng)用領(lǐng)域都有它對頻率、帶寬、負(fù)載、功率、效率和成本的獨(dú)特要求。

射頻和微波功率可以利用不同的技術(shù)和不同的器件來產(chǎn)生。本文著重介紹在EMC應(yīng)用中普遍使用的固態(tài)射頻功率放大器技術(shù)，這種固態(tài)放大器的頻率可以達(dá)到6GHz甚至更高，采用了A類，AB類、B類或C類放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2. 射頻微波功率晶體管概述

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，可用于RF功率放大器的器件和種類越來越多。各種封裝器件被普遍采用，圖1顯示了一個典型的蓋子被移除的晶體管。這是一個最大功率為60W的采用了 GaAs FET的平衡微波晶體管，適合推挽式的AB類放大器使用。

圖1：某型號60W GaAs FET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

這款晶體管放大器可以提供EMC領(lǐng)域的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-3和IEC61000-4-6所強(qiáng)調(diào)的很好的線性度，如圖2所示。

圖2：某晶體管的輸入輸出線性度

這個晶體管可以在工作頻率范圍內(nèi)提供所需的功率，它的輸出功率與頻率的關(guān)系如圖3所示。

圖3：某晶體管的輸出功率與頻率的關(guān)系

3. 射頻微波功率晶體管采用的半導(dǎo)體材料的類型

在用于EMC領(lǐng)域的功率放大器中會用到不同種類的晶體管，下面對典型的晶體管及其工作特性進(jìn)行簡單介紹，由于不同種類的半導(dǎo)體材料具有不同的特性，功率放大器的設(shè)計者需要根據(jù)實際需求進(jìn)行選擇和設(shè)計。在射頻微波功率放大器中采用的半導(dǎo)體材料主要包括以下幾種。

3.1 雙極結(jié)型晶體管（BJT）

雙極性結(jié)型晶體管（bipolar junction transistor， BJT）就是我們通常說的三極管，是一種具有三個端子的電子器件，由三部分摻雜程度不同的半導(dǎo)體制成，晶體管中的電荷流動主要是由于載流子在PN結(jié)處的擴(kuò)散作用和漂移運(yùn)動。

這種晶體管的工作，同時涉及電子和空穴兩種載流子的流動，因此它被稱為雙極性的，所以也稱雙極性載流子晶體管。常見的有鍺晶體管和硅晶體管，可采用電流控制，在一定范圍內(nèi)，雙極性晶體管具有近似線性的特征，這個范圍叫做“放大區(qū)”，集電極電流近似等于基極電流的N倍。雙極性晶體管是一種較為復(fù)雜的非線性器件，如果偏置電壓分配不當(dāng)，將使其輸出信號失真，即使工作在特定范圍，其電流放大倍數(shù)也受到包括溫度在內(nèi)的因素影響。雙極性晶體管的最大集電極耗散功率是器件在一定溫度與散熱條件下能正常工作的最大功率，如果實際功率大于這一數(shù)值，晶體管的溫度將超出最大許可值，使器件性能下降，甚至造成物理損壞。可通過高達(dá)28伏電源供電工作，工作頻率可達(dá)幾個GHz。為了防止由于熱擊穿導(dǎo)致的突發(fā)性故障，晶體管的偏置電壓必須要仔細(xì)設(shè)計，因為熱擊穿一旦被觸發(fā)，整個晶體管都將被立即毀壞。因此，采用這種晶體管技術(shù)的放大器必須具有保護(hù)電路以防止這種熱擊穿情況發(fā)生。

3.2 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）

MOSFET場效應(yīng)管屬于單極性晶體管，它的工作方式僅涉及單一種類載流子的漂移作用。金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管依照其溝道極性的不同，可分為電子占多數(shù)的N溝道型與空穴占多數(shù)的P溝道型，通常被稱為N型金氧半場效晶體管（NMOSFET）與P型金氧半場效晶體管（PMOSFET），沒有BJT的一些致命缺點(diǎn)，如熱破壞（thermal runaway）。

為了適合大功率運(yùn)行，70年代末研制出了具有垂直溝道的絕緣柵型場效應(yīng)管，即VMOS管，其全稱為V型槽MOS場效應(yīng)管，它是繼MOSFET之后新發(fā)展起來的高效功率器件，具有耐壓高，工作電流大，輸出功率高等優(yōu)良特性。　垂直MOS場效應(yīng)晶體管（VMOSFET）的溝道長度是由外延層的厚度來控制的，因此適合于MOS器件的短溝道化，從而提高器件的高頻性能和工作速度。VMOS管可工作在VHF和UHF頻段，也就是30MHz到3GHz。封裝好的VMOS器件能夠在UHF頻段提供高達(dá)1kW的功率，在VHF頻段提供幾百瓦的功率，可由12V， 28V或50V電源供電，有些VMOS器件可以100V以上的供電電壓工作。

3.3 橫向擴(kuò)散MOS（LDMOS）

橫向雙擴(kuò)散MOS晶體管（Lateral Double-diffused MOSFET，LDMOS）：

這是為了減短溝道長度的一種橫向?qū)щ奙OSFET，通過兩次擴(kuò)散而制作的器件稱為LDMOS，在高壓功率集成電路中常采用高壓LDMOS滿足耐高壓、實現(xiàn)功率控制等方面的要求，常用于射頻功率電路。

與晶體管相比，LDMOS在關(guān)鍵的器件特性方面，如增益、線性度、散熱性能等方面優(yōu)勢很明顯，由于更容易與CMOS工藝兼容而被廣泛采用。LDMOS能經(jīng)受住高于雙極型晶體管的駐波比，能在較高的反射功率下運(yùn)行而不被破壞；它較能承受輸入信號的過激勵，具有較高的瞬時峰值功率。LDMOS增益曲線較平滑并且允許多載波射頻信號放大且失真較小。LDMOS管有一個低且無變化的互調(diào)電平到飽和區(qū)，不像雙極型晶體管那樣互調(diào)電平高且隨著功率電平的增加而變化，這種主要特性因此允許LDMOS晶體管執(zhí)行高于雙極型晶體管的功率，且線性較好。LDMOS晶體管具有較好的溫度特性溫度系數(shù)是負(fù)數(shù)，因此可以防止熱耗散的影響。

由于以上這些特點(diǎn)，LDMOS特別適用于UHF和較低的頻率，晶體管的源極與襯底底部相連并直接接地，消除了產(chǎn)生負(fù)反饋和降低增益的鍵合線的電感的影響，因此是一個非常穩(wěn)定的放大器。

LDMOS具有的高擊穿電壓和與其它器件相比的較低的成本使得LDMOS成為

在900MHz和2GHz的高功率基站發(fā)射機(jī)中的首選。LDMOS晶體管也被廣泛應(yīng)用于在80MHz到1GHz的頻率范圍內(nèi)的許多EMC功率放大器中。

在2.7 GHz輸出功率超過100W的LDMOS器件已經(jīng)存在，半導(dǎo)體制造商正在開發(fā)頻率范圍更高的，可工作在3.5 GHz及以上的高功率LDMOS器件。

3.4 砷化鎵金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（GaAs MESFET）

砷化鎵（gallium arsenide），化學(xué)式 GaAs，是一種重要的半導(dǎo)體材料。屬于Ⅲ－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，具有高電子遷移率（是硅的5到6倍），寬的禁帶寬度1.4eV（硅是1.1eV），噪聲低等特點(diǎn)，GaAs比同樣的Si元件更適合工作在高頻高功率的場合。因為這些特性，GaAs器件被應(yīng)用在無線通信、衛(wèi)星通訊、微波通信、雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域，能夠在更高的頻率下工作，高達(dá)Ku波段。

與LDMOS相比，擊穿電壓較低。通常由12V電源供電，由于電源電壓較低，使得器件阻抗較低，因此使得寬帶功率放大器的設(shè)計變得比較困難。

GaAsMESFET是電磁兼容微波功率放大器設(shè)計的常用選擇，在80MHz到6GHz的頻率范圍內(nèi)的放大器中被廣泛采用。

3.5 GaAs贗晶高電子遷移率晶體管（GaAs pHEMT）

GaAs pHEMT是對高電子遷移率晶體管（HEMT）的一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，也稱為贗調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管（PMODFET），具有更高的電子面密度（約高2倍）；同時，這里的電子遷移率也較高（比GaAs中的高9 %），因此PHEMT的性能更加優(yōu)越。PHEMT具有雙異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)，這不僅提高了器件閾值電壓的溫度穩(wěn)定性，而且也改善了器件的輸出伏安特性，使得器件具有更大的輸出電阻、更高的跨導(dǎo)、更大的電流處理能力以及更高的工作頻率、更低的噪聲等。采用這種材料可以實現(xiàn)頻率達(dá)40GHz，功率達(dá)幾W的功率放大器。

在EMC領(lǐng)域，采用此種材料可以實現(xiàn)1.8GHz至6GHz，功率達(dá)200 W的功率放大器。

3.6 氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）

氮化鎵（GaN）HEMT是新一代的射頻功率晶體管技術(shù)，與GaAs和Si基半導(dǎo)體技術(shù)相比，氮化鎵集更高功率、更高效率和更寬帶寬的特性于一身，能夠?qū)崿F(xiàn)比GaAs MESFET器件高10倍的功率密度，擊穿電壓達(dá)300伏，可工作在更高的工作電壓，大大簡化了設(shè)計寬帶高功率放大器的難度。

目前氮化鎵（GaN）HEMT器件的成本是LDMOS的5倍左右，已經(jīng)開始普遍應(yīng)用在EMC領(lǐng)域的80MHz到6GHz的功率放大器中。

4. 射頻微波功率放大器的分類

放大器有不同種的分類方法，習(xí)慣上基于放大器件在一個完整的信號擺動周期中工作的時間量，也就是導(dǎo)電角的不同進(jìn)行分類，通過對放大器件配置不同的偏置條件，就可以使放大器工作在不同的狀態(tài)。在EMC領(lǐng)域，固態(tài)放大器中最常用到的偏置方法是A類，AB類和C類。

4.1 A類放大器

A類放大器的有源器件在輸入正弦信號的整個周期內(nèi)都導(dǎo)通，普遍認(rèn)為，A類和線性放大器是同義詞，輸出信號是對輸入信號的線性放大，在無線通信應(yīng)用領(lǐng)域必須要考慮到針對復(fù)雜調(diào)制信號時的情況。在EMC應(yīng)用領(lǐng)域，輸入信號相對簡單，放大器必須工作在功率壓縮閾值的情況下。A類放大器是EMC領(lǐng)域常用的功率放大器，其工作原理圖如圖4所示。

圖4：A類放大器的工作原理圖

不管是否有射頻輸入信號存在，A類放大器的偏置設(shè)置使得晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)位于器件電流的中心位置，以便能保證它工作在一個線性工作區(qū)，要具有足夠的電壓范圍以便隨著整個輸入信號幅度的變化在不被剪裁或壓縮的情況下復(fù)制它。

A類放大器的優(yōu)點(diǎn)：

A類設(shè)計相比其他類設(shè)計要簡單，輸出部分可以有一個器件。

當(dāng)器件通過偏置設(shè)置工作在其傳輸特性的線性部分時，放大器可以非常精確地以更多功率再現(xiàn)輸入信號，在輸入信號功率增加1 dB時，輸出功率也增加1 dB，因此是線性放大器。

當(dāng)工作在線性區(qū)時，產(chǎn)生的其他頻率分量的能量很小，也就是諧波很小。

因為器件通過偏置電壓設(shè)置一直處于工作狀態(tài)，不會被關(guān)閉，所以沒有“開啟”時間。

可以忠實地再現(xiàn)連續(xù)波和脈沖式的連續(xù)波信號。

A類放大器的缺點(diǎn)：

因為靜態(tài)工作電流大約是最大輸出電流的一半，所以效率比較低。理論上最大效率是50%，但實際效率會受到輸出端的損耗影響而降低，比如濾波器，合路器，耦合器，隔離器，電源的轉(zhuǎn)換效率等，這些可能會將實際效率降低10%左右。

如果需要通過A類功放實現(xiàn)更高的輸出功率，則浪費(fèi)的功率和伴隨著的發(fā)熱量將顯著增加。對于每一瓦傳遞到負(fù)載的功率，放大器可以消耗多達(dá)9瓦的熱量。對于大功率A類功放，這就意味著要具有非常大和昂貴的供電電源以及散熱裝置。

對于散熱能力不足的A類功放，溫度每升高10°C將會導(dǎo)致內(nèi)部功率器件的平均無故障工作時間（MTBF）大大縮短。

4.2 AB類放大器

在討論AB類放大器之前，讓我們簡單地說一說B類放大器。B類放大器的晶體管偏置使得器件僅在輸入信號的半個周期內(nèi)導(dǎo)通，在另半個周期截止，為了復(fù)現(xiàn)整個周期的信號，可采用雙管B類推挽電路，如圖所示。B類放大器的偏置設(shè)置

使得當(dāng)在沒有輸入信號的情況下器件的輸出電流為零，每個器件只在特定的信號半周期內(nèi)工作，因此，B類放大器具有高的效率，理論上可以達(dá)到78.5%。但由于兩個管子交替著開啟關(guān)閉引起的交越失真使得線性度不好。這種交越失真的存在使它不適合商用電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。AB類放大器也是EMC領(lǐng)域常用的功率放大器，其工作原理圖如圖5所示。

圖5：AB類放大器的工作原理圖

AB類放大器試圖使得工作效率與B類放大器接近，而線性度與A類放大器接近。通過調(diào)整對偏置電壓的設(shè)置，使得AB類放大器中的每個管子都可以像B類放大器一樣分別在輸入信號的半個周期內(nèi)導(dǎo)通，但在兩個半周期中每個管子都會有同時導(dǎo)通的一個很小的區(qū)域，這就避免了兩個管子同時關(guān)閉的區(qū)間，結(jié)果是，當(dāng)來自兩個器件的波形進(jìn)行組合時，交叉區(qū)域?qū)е碌慕辉绞д姹淮蟠鬁p少或完全消除。通過對靜態(tài)工作點(diǎn)的精確設(shè)置，AB類放大器可以確保其諧波/失真性能

足夠滿足EMC領(lǐng)域的需求，也就是它的線性度能滿足商業(yè)電磁兼容測試標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-3和IEC61000-4-6的需求。

AB類放大器為了線性度與B類放大器相比犧牲了一點(diǎn)效率，但相比A類放大器則具有高效率（理論上可達(dá)60%到65%）。

AB類放大器的優(yōu)點(diǎn)：

與A類放大器相比，功率效率大大提高。

AB類放大器的設(shè)計可以使用比A類更少的器件，對于相同的功率等級和

頻率范圍，體積更小，價格更便宜。

使用風(fēng)冷，比A類放大器的冷卻器要輕。

AB類放大器的缺點(diǎn)：

產(chǎn)生的諧波需要注意具體產(chǎn)品給出的指標(biāo)，尤其是二次諧波，AB類放大器可以通過仔細(xì)調(diào)整偏置的設(shè)置和采用推挽拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)將諧波明顯抑制。

4.3 C類放大器

C類放大器的晶體管偏置設(shè)置使得器件僅在小于輸入信號的半個周期內(nèi)導(dǎo)通，在沒有輸入信號時不消耗電源電流，因此效率很高，可高達(dá)90%左右。C類放大器在通常的商業(yè)EMC測試中很少使用，因為它們不能對連續(xù)波進(jìn)行放大。它們在窄帶、脈沖應(yīng)用中得到了應(yīng)用，比如汽車電子ISO11452-2中的雷達(dá)波測試，DO-160以及MIL-464中的HIRF高脈沖場強(qiáng)測試等。C類放大器的工作原理圖如圖6所示。

圖6：C類放大器的工作原理圖

C類放大器相當(dāng)于工作在飽和狀態(tài)而不是線性區(qū)，也就是輸入如果是正弦信號，輸出則是方波信號，產(chǎn)生的諧波較大，屬于非線性功率放大器，適合放大恒定包絡(luò)的信號，輸入信號通常是脈沖串類的信號。

C類放大器的優(yōu)點(diǎn)

與A類放大器相比，功率效率大大提高。

與A類放大器相比，可以低價獲得射頻功率。

風(fēng)冷即可，他們使用的冷卻器比A類更輕。

C類放大器的缺點(diǎn)

脈沖射頻信號放大。

窄帶放大器。

通過以上介紹可以看出，作為射頻微波功率放大器采用的半導(dǎo)體材料，有許多種類，每種都有其各自的特點(diǎn)和適用的功率和頻率范圍，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，使得更高頻率和更高功率的功放的實現(xiàn)成為可能并且越來越容易實現(xiàn)。

作為EMC領(lǐng)域的常用的射頻微波功率放大器的幾個類別，每種也都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用的場合。在實際的EMC抗擾度測試中，我們需要根據(jù)實際需求進(jìn)行合理的選擇。

5. AMETEK的射頻微波功放產(chǎn)品

AMETEK旗下?lián)碛腥齻€著名品牌的功放產(chǎn)品，分別是TESEQ，MILMEGA和IFI，如圖7所示。既有固態(tài)類功放，也有適合于高頻大功率應(yīng)用的TWT功放。

圖7：AMETEK旗下?lián)碛腥齻€著名品牌的功放產(chǎn)品

作為這些不同頻段不同功率的固態(tài)類射頻微波功放產(chǎn)品，采用了以上所述的不同類型的半導(dǎo)體材料制成的晶體管，具有A類，AB類以及C類不同種功率放大器。這些功放的內(nèi)部都由若干個部分組成，主要包括：輸入驅(qū)動模塊，信號分離模塊，功率放大器模塊，功率合成模塊，定向耦合器，功率監(jiān)測模塊，保護(hù)電路，電源供電模塊，顯示和控制單元等，如圖8所示。

圖8：AMETEK固態(tài)射頻功放的組成結(jié)構(gòu)

為了便于裝配，調(diào)試，升級，維修，AMETEK的功放在業(yè)界率先采用了模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，內(nèi)部模塊及各種走線的布局干凈整潔，如圖9所示。

圖9：AMETEK固態(tài)射頻功放的模塊化結(jié)構(gòu)

AMETEK的功放產(chǎn)品覆蓋的頻率范圍從4KHz到45GHz，如圖10所示。

圖10：AMETEK的功放產(chǎn)品覆蓋的頻率范圍從4KHz到45GHz

不但可以滿足比如IEC61000-4-3，-4-6，ISO11452-2以及醫(yī)療等商用EMC標(biāo)準(zhǔn)，還可以滿足諸如MIL461-RS103/CS114， DO-160，MIL-464等航空和軍用EMC標(biāo)準(zhǔn)的抗擾度測試對功放的需求，不但可以提供功放產(chǎn)品，還可以提供包括整套系統(tǒng)在內(nèi)的交鑰匙工程。