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[摘 要]目前，无线通信技术的快速发展对微波功率器件的性能提出了更高的要求。所以人们已经突破了传统的放大器的局限，开始采用低微波的技术手段来研发功率放大器。本文总结了微波功率放大器的研究背景和最新进展情况，并且从不同的角度分析了微波功率放大器的设计方法和技术，详细分析了三种系统级的线性化技术。
[关键词]微波 功率放大器 线性化技术 方法
中图分类号：TD221 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）28-0274-01
随着无线通信的快速发展，通信系统对微波功率放大器的要求越来越高。微波功率放大器在雷达、通信、导航、卫星地球站、电子对抗设备等系统中有着广泛的应用，传统的高效率而低线性度放大器、或高线性度却低效率的放大器难以满足实用，而高效率同时高线性度的微波功率放大器成为放大器发展方向的必然之路。
1. 微波功率放大器的研究背景和意义
1.1 微波放大器的研究进展
固态功率放大器具有工作电压低、尺寸小、效率高、寿命长以及高可靠性等优点，已经十分广泛应用在移动通信、雷达、干扰、识别等射频/微波/毫米波系统之中，并且占有十分重要的地位。 在第三代移动通信（3G）系统中，为了提高频谱的利用效率，调制方式多采用QPSK或16QAM等线性调制方式，而且系统又多是多载波、多信道，这就需要射频系统有很好的线性，否则就会产生失真。这种失真表现为常见的交调失真（IMD失真），导致已调矢量信号的幅度和相位出现偏差，同时导致频谱扩展、干扰临道信号，误码率恶化等等。而功率放大器是射频系统中产生非线性的主要部件，因此改善功率放大器的非线性具有重大意义。目前，无线通信基站上所用的线性功率放大器，极大部分从国外进口，受国外制约严重，国内尚无成熟产品，迫切需要解决其国产化问题。 针对现代通信系统对功率放大器高增益、高功率、高线性度的要求，目前对微波功率放大器及其线性化技术进行了研究，主要包括以下三个方面的内容： 1、研制了20瓦S波段微波固态功率放大器，对微波固态功率放大器设计方法进行了讨论，通过理论分析以及电路仿真软件的仿真，设计出了一个基于LDMOS FET的S波段20W四级级联固态功率放大模块，最终达到了以下几个技术指标：工作频带为2110MHz～2170MHz，增益大于56dB，增益平坦度为±0.38dB，输入输出驻波比小于1.3，输出功率20W时的三阶交调系数低于—40dBc。 2、对微波功率放大器的线性化技术进行了研究，重点介绍了前馈技术和预失真技术。研制了一个结构简单、体积小巧的模拟预失真器，其结构包括由二极管对产生交调失真分量的非线性发生器、中心频率为2.14GHz的功分器和功率合成器以及矢量调节器。该预失真器可以使本文中功率放大器的前级放大器的三阶交调系数有20dB的改善，达到了很好的线性化，具有一定的工程参考价值。 3、此外，本文研究了一种自适应控制电路，介绍了该电路的自适应控制原理，对其中的部分器件如电调移相器、PLL频率源进行了设计和实验，并且对其他器件进行了商品型号的选择，获得了一定的阶段性研究成果。
1.2 研究功率放大器系统级的线性化技术及其重要意义
线性功放的研究现在已成为功放研究的一个热点，国外研究开始比较早，现在已有成熟产品问世；而国内在这方面的研究才刚刚起步，基本上处于软件仿真阶段，且大多都集中在前馈技术的研究方面，预失真法的研究更是一个空白。目前在对功率放大器非线性特性进行充分研究的基础上，综合各种线性化方法的优缺点，提出了一种自适应射频预失真线性化的方案，通过软件仿真，验证了这一设计方案的可行性；同时通过实际制作这样一个线性化功放，调试并测试其线性化指标，取得了预期的效果，达到了工程技术指标的要求，从而验证了这一方案的有效性。 射频预失真方法的应用能有效的解决带宽及稳定性的问题；而直接通过混频器和带通滤波器的配合取得失真信号的方法解决了传统的误差消除环路需要复杂的功率增益调整的弊端，使得电路得到简化，成本得以降低。同时，利用DSP技术来进行自适应控制，并与射频模拟电路紧密结合，从而显著改善了功率放大器的线性度，满足了工程需要，这就是线性化研究工作的特色与创新之处。 仿真和实验测试结果都说明：通过预失真法对功率放大器进行线性化改进，其线性化程度明显提高，表现在其带外抑制度明显提高，对邻道的干扰明显减弱，这在多载波通信系统及将来的第三代移动通信中有非常重要的应用。
2.微波功率放大器设计方法及技术
功率放大器工作在大信号非线性状态，小信号S参数分析法已不适用，只能作为一定的参考"为了能够准确地设计功率放大器，需要建立精确的功率管大信号模型，使用非线性分析方法对其进行分析，使功率放大器在增益！输出功率！驻波比！线性度等指标间达到最好的折衷；另外需要对功率放大器电路结构进行精心设计，保证腔体不会引起放大器的自激并有良好的散热"。
微波功率放大器电路设计和仿真主要基于有源器件的等效电路！能求解的设计方程和经验技术。近几十年，随着数值计算分析技术的发展和微波测试仪器性能的提高，功率器件大信号模型建立！负载牵引技术以及大信号S参数等方法都取得了很大的进展。
首先是大信号模拟方法：电子科技大学硕士学位论文基于功率管的大信号模型设计功率放大器，可使用非线性分析方法，如谐波平衡法分析确定最佳负载阻抗和源阻抗，并可仿真功率放大器的非线性特性，缺点是建模有一定困难"建立功率晶体管大信号等效电路模型的方法很多，大多由选取的有效模型数据！CAD工具以及理论方法决定。
还有负载牵引技术：负载牵引原理是把不同的负载接在功率放大器输出端口上，测量相应的增益！输出功率以及线性度等指标，用这些数据在阻抗圆图上描绘出负载阻抗的轨迹，从中选出满足增益！输出功率和线性度的负载阻抗"首先讨论一下功率放大器的增益匹配和功率分别代表一个功率放大器输出在最佳功率匹配和小信号共扼匹配时的功率输出曲线，可以看出，功率匹配下的饱和输出功率点C！1一dB压缩点输出功率点B及最线性输出功率点A，比增益匹配下的对应点C.！B，！A.均大ZdB左右"由此可知，采用线性增益匹配的放大器的功率输出能力比器件的实际功率输出能力小ZdB，并不能充分利用功率器件"在实际应用中，采用最佳功率匹配的功率放大器通常比线性增益匹配放大器的功率输出能力大0.5碑dB"因此，在功率放大器设计中应首先考虑最佳功率匹配设计，通过负载牵引测量可得到较精确的功率一负载特性。
负载线法：有些器件商不提供功率管的大信号模型和负载牵引测量数据，通常唯一的设计数据是器件的小信号s参数和静态I一v曲线"此时可用负载线法[141近似确定大信号条件下的负载阻抗，即根据要求的输出功率和使用的漏一源电压，参考FET件的I一V特性曲线，计算出管子的输出负载线，从而确定最佳输出阻抗的实部"根据MESFET器件的I一v曲线计算最大射频功率输出时的负载线阻。该方法设计简单，便于用CAD方法进行设计，可以针对最大输出功率优化输出电路，同时可优化输入电路得到最佳输入匹配和最大增益，该方法的局限是只对最大饱和功率优化，且只适用于A类和AB类工作状态功率放大器，并且无法计算谐波电平"但负载线法可为功率放大器设计提供较好的参考。
结语：通过对微波功率放大器的一些列研究与探讨，我们应该看到微波功率放大器的发展前景以及更深层次的技术研发，但是它具有许多不同特点，而且其技术难度较大，所以微波功率放大器的研究一直倍受关注。本文正是以此为目标，通过对原理、技术、应用等方面的研究，来提倡广大科技工作者一起为功率放大器的高效率奋斗。
参考文献
[1] 言华.微波固态电路 北京理工大学出版社，2011".
[2] 赵国湘，高葆新.微波有源电路国防工业出版社，2010".
[3] 袁孝康等，王仕播，朱俊达.微带功率晶体管放大器 人民邮电出版社，2013.
[关键词]微波 功率放大器 线性化技术 方法
中图分类号：TD221 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）28-0274-01
随着无线通信的快速发展，通信系统对微波功率放大器的要求越来越高。微波功率放大器在雷达、通信、导航、卫星地球站、电子对抗设备等系统中有着广泛的应用，传统的高效率而低线性度放大器、或高线性度却低效率的放大器难以满足实用，而高效率同时高线性度的微波功率放大器成为放大器发展方向的必然之路。
1. 微波功率放大器的研究背景和意义
1.1 微波放大器的研究进展
固态功率放大器具有工作电压低、尺寸小、效率高、寿命长以及高可靠性等优点，已经十分广泛应用在移动通信、雷达、干扰、识别等射频/微波/毫米波系统之中，并且占有十分重要的地位。 在第三代移动通信（3G）系统中，为了提高频谱的利用效率，调制方式多采用QPSK或16QAM等线性调制方式，而且系统又多是多载波、多信道，这就需要射频系统有很好的线性，否则就会产生失真。这种失真表现为常见的交调失真（IMD失真），导致已调矢量信号的幅度和相位出现偏差，同时导致频谱扩展、干扰临道信号，误码率恶化等等。而功率放大器是射频系统中产生非线性的主要部件，因此改善功率放大器的非线性具有重大意义。目前，无线通信基站上所用的线性功率放大器，极大部分从国外进口，受国外制约严重，国内尚无成熟产品，迫切需要解决其国产化问题。 针对现代通信系统对功率放大器高增益、高功率、高线性度的要求，目前对微波功率放大器及其线性化技术进行了研究，主要包括以下三个方面的内容： 1、研制了20瓦S波段微波固态功率放大器，对微波固态功率放大器设计方法进行了讨论，通过理论分析以及电路仿真软件的仿真，设计出了一个基于LDMOS FET的S波段20W四级级联固态功率放大模块，最终达到了以下几个技术指标：工作频带为2110MHz～2170MHz，增益大于56dB，增益平坦度为±0.38dB，输入输出驻波比小于1.3，输出功率20W时的三阶交调系数低于—40dBc。 2、对微波功率放大器的线性化技术进行了研究，重点介绍了前馈技术和预失真技术。研制了一个结构简单、体积小巧的模拟预失真器，其结构包括由二极管对产生交调失真分量的非线性发生器、中心频率为2.14GHz的功分器和功率合成器以及矢量调节器。该预失真器可以使本文中功率放大器的前级放大器的三阶交调系数有20dB的改善，达到了很好的线性化，具有一定的工程参考价值。 3、此外，本文研究了一种自适应控制电路，介绍了该电路的自适应控制原理，对其中的部分器件如电调移相器、PLL频率源进行了设计和实验，并且对其他器件进行了商品型号的选择，获得了一定的阶段性研究成果。
1.2 研究功率放大器系统级的线性化技术及其重要意义
线性功放的研究现在已成为功放研究的一个热点，国外研究开始比较早，现在已有成熟产品问世；而国内在这方面的研究才刚刚起步，基本上处于软件仿真阶段，且大多都集中在前馈技术的研究方面，预失真法的研究更是一个空白。目前在对功率放大器非线性特性进行充分研究的基础上，综合各种线性化方法的优缺点，提出了一种自适应射频预失真线性化的方案，通过软件仿真，验证了这一设计方案的可行性；同时通过实际制作这样一个线性化功放，调试并测试其线性化指标，取得了预期的效果，达到了工程技术指标的要求，从而验证了这一方案的有效性。 射频预失真方法的应用能有效的解决带宽及稳定性的问题；而直接通过混频器和带通滤波器的配合取得失真信号的方法解决了传统的误差消除环路需要复杂的功率增益调整的弊端，使得电路得到简化，成本得以降低。同时，利用DSP技术来进行自适应控制，并与射频模拟电路紧密结合，从而显著改善了功率放大器的线性度，满足了工程需要，这就是线性化研究工作的特色与创新之处。 仿真和实验测试结果都说明：通过预失真法对功率放大器进行线性化改进，其线性化程度明显提高，表现在其带外抑制度明显提高，对邻道的干扰明显减弱，这在多载波通信系统及将来的第三代移动通信中有非常重要的应用。
2.微波功率放大器设计方法及技术
功率放大器工作在大信号非线性状态，小信号S参数分析法已不适用，只能作为一定的参考"为了能够准确地设计功率放大器，需要建立精确的功率管大信号模型，使用非线性分析方法对其进行分析，使功率放大器在增益！输出功率！驻波比！线性度等指标间达到最好的折衷；另外需要对功率放大器电路结构进行精心设计，保证腔体不会引起放大器的自激并有良好的散热"。
微波功率放大器电路设计和仿真主要基于有源器件的等效电路！能求解的设计方程和经验技术。近几十年，随着数值计算分析技术的发展和微波测试仪器性能的提高，功率器件大信号模型建立！负载牵引技术以及大信号S参数等方法都取得了很大的进展。
首先是大信号模拟方法：电子科技大学硕士学位论文基于功率管的大信号模型设计功率放大器，可使用非线性分析方法，如谐波平衡法分析确定最佳负载阻抗和源阻抗，并可仿真功率放大器的非线性特性，缺点是建模有一定困难"建立功率晶体管大信号等效电路模型的方法很多，大多由选取的有效模型数据！CAD工具以及理论方法决定。
还有负载牵引技术：负载牵引原理是把不同的负载接在功率放大器输出端口上，测量相应的增益！输出功率以及线性度等指标，用这些数据在阻抗圆图上描绘出负载阻抗的轨迹，从中选出满足增益！输出功率和线性度的负载阻抗"首先讨论一下功率放大器的增益匹配和功率分别代表一个功率放大器输出在最佳功率匹配和小信号共扼匹配时的功率输出曲线，可以看出，功率匹配下的饱和输出功率点C！1一dB压缩点输出功率点B及最线性输出功率点A，比增益匹配下的对应点C.！B，！A.均大ZdB左右"由此可知，采用线性增益匹配的放大器的功率输出能力比器件的实际功率输出能力小ZdB，并不能充分利用功率器件"在实际应用中，采用最佳功率匹配的功率放大器通常比线性增益匹配放大器的功率输出能力大0.5碑dB"因此，在功率放大器设计中应首先考虑最佳功率匹配设计，通过负载牵引测量可得到较精确的功率一负载特性。
负载线法：有些器件商不提供功率管的大信号模型和负载牵引测量数据，通常唯一的设计数据是器件的小信号s参数和静态I一v曲线"此时可用负载线法[141近似确定大信号条件下的负载阻抗，即根据要求的输出功率和使用的漏一源电压，参考FET件的I一V特性曲线，计算出管子的输出负载线，从而确定最佳输出阻抗的实部"根据MESFET器件的I一v曲线计算最大射频功率输出时的负载线阻。该方法设计简单，便于用CAD方法进行设计，可以针对最大输出功率优化输出电路，同时可优化输入电路得到最佳输入匹配和最大增益，该方法的局限是只对最大饱和功率优化，且只适用于A类和AB类工作状态功率放大器，并且无法计算谐波电平"但负载线法可为功率放大器设计提供较好的参考。
结语：通过对微波功率放大器的一些列研究与探讨，我们应该看到微波功率放大器的发展前景以及更深层次的技术研发，但是它具有许多不同特点，而且其技术难度较大，所以微波功率放大器的研究一直倍受关注。本文正是以此为目标，通过对原理、技术、应用等方面的研究，来提倡广大科技工作者一起为功率放大器的高效率奋斗。
参考文献
[1] 言华.微波固态电路 北京理工大学出版社，2011".
[2] 赵国湘，高葆新.微波有源电路国防工业出版社，2010".
[3] 袁孝康等，王仕播，朱俊达.微带功率晶体管放大器 人民邮电出版社，2013.