ism功率放大器匹配网络的设计与调试
摘 要当前无线通信系统发展飞速，功率放大器作为无线通信系统的重要组成部分，其性能的优化对无线通信系统的发展具有重要的意义。论文从ISM频段中的射频功率放大器入手，首先介绍了基本的射频相关理论，分析了功率放大器的稳定性、输出功率、效率和线性度等相关指标。同时对比了四类经典的放大器，详细讨论了它们的电路结构、工作原理以及它们的优缺点。论文的设计部分，以阻抗匹配和Smith圆图为理论工具，借助ADS软件进行匹配网络的设计和仿真，选用LC网络结构设计输入和输出匹配网络，完成输入和输出阻抗的匹配。论文着重分析了射频功率放大器的调试，主要调试参数有S参数、1dB压缩点、输出功率。调试阶段主要工作是不停调整匹配网络中的元器件值，直到将S参数调整到较好的状态，然后开始调试输出功率，从而使各项参数达到所期望的标准。此次课题关于调试的性能参数指标有：S11在-10dB以下，S21达到19dB以上，1dB压缩点在16dBm以上，输出功率达到18dBm左右。经过调试工作，S11达到-10.02dB,S21达到19.97dB。在S参数较为理想的情况下测试功率所得结果为1dB压缩点达到18.15dBm，输出功率达到18.24dBm，满足论文的期望指标。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.1.1研究背景 1
1.1.2研究意义 2
第2章功率放大器理论基础 3
2.1传输线理论 3
2.1.1传输线的分类 3
2.1.2等效电路表示法 3
2.1.3特性阻抗 4
2.1.4 1/4波长传输线 5
2.2功率放大器的分类 6
2.2.1A类功率放大器 6
2.2.2 B类功率放大器 7
2.2.3 AB类功率放大器 7
2.2.4 C类功率放大器 8
2.3功率放大器的相关指标 9
2.3.1输出功率 9
2.3.2效率 10
2.3.3线性度 11
第3章匹配网络设计 13
3.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
1 Smith圆图 13
3.1.1图形表示法 13
3.1.2 Smith圆图的应用 14
3.2阻抗匹配 15
3.2.1 L形匹配网络 15
3.2.2 π形匹配网络 16
3.2.3 T形匹配网络 16
3.3输入和输出匹配网络设计 16
3.3.1输入匹配网络设计 16
3.3.2输出匹配网络设计 17
第4章功率放大器的测试 19
4.1性能测试 19
4.1.1稳定性测试 19
4.1.2 S参数 20
4.1.3 1dB压缩点 24
4.2测试结果分析 26
第5章总结与展望 28
5.1论文总结 28
5.2 研究展望 28
致谢 30
参考文献 31
附录 33
第1章 绪论
1.1研究背景及意义
ISM频段指的是用于应用于工业的（Industrial）、科学的（Scientific）、医学（Medical）的频段，也就是说各国挪出一段频段主要开放给工业，科学和医学使用，当然，各个国家关于ISM频段的规定并不统一。
1.1.1 研究背景
随着科学技术的不断发展和进步，无线通信得到了非常迅猛的发展，无线通信技术出现在我们的日常生活中，比如我们现代人所离不开的手机，就是无线通信技术广泛应用的典范。人们的工作和生活都离不开无线通信设备，也正是因为有了无线通信技术，我们的生活才有了巨大的变化[1]。
射频微波通信技术的发展和应用直接决定了无线通信技术的发展。射频功率放大器具有许多一些低频功率放大器无法比拟或者无法实现的优点，比如工作电压低、几何尺寸小、高线性度、低噪声等。也正是因为射频功率放大器的这些优点，射频功率放大器在卫星通信、航空航天、移动通信以及工业科学研究领域才有了如此广泛的应用。也正是因为如此，我们对射频功率放大器的性能的提高也有了越来越严格的要求。现在的主要研究目的是在更宽频带内，进一步提高增益、增加输出功率和效率、改善线性度，也就是提高可靠性。不得不说，推动射频技术迅速发展的两大动力是射频器件和射频技术的不断发展，前者为功率放大器的发展提供了前提条件，而后者则为射频功率放大器的性能的提高和改善不断扫清障碍。
功率放大器的发展体现在各个方面，首先是射频器件上的发展，1948 年 Shockley. Bardeen 等人发明双极晶体管(BJT)，随后又发明了结型场效应管(JFET)，标志着硅双极晶体管在射频微波领域应用的开始。70 年代以后，出现了载流子迁移率高、禁带宽度大的GaAs 肖特基势垒栅场效应晶体管(GaAs MESFET)，使得射频功率放大器具备了一系列优点，比如大功率和低噪声等，射频功率放大器的应用也日益广泛。进入80 年代，异质结双极晶体管(HBT)出现，HBT由ALGaAs/GaAs 或 InP/InGaAs组成，这些器件的使用，可以使得功率放大器工作在毫米波频段。到 90 年代，多种新型固态器件包括异质结场效应管(HFET)和异质结双极管(HBT)如雨后春笋纷纷涌出，这些新型器件放大信号的频率可以达到100GHz 甚至更高频率[2]。随着工业水平的提高和发展，无源器件的生产技术同样得到创新和发展，无源器件不仅尺寸越来越小，精度也变得越来越高，这些变化于高频电路设计来说带来了不可估量的好处。除了射频器件的发展以外，射频技术也有着不可思议的进步。首先是DSP 技术和微处理控制技术，使得各种射频功率放大器线性化技术得到大范围的应用，线性化技术包括：功率回退技术，反馈技术，前馈技术，采用预失真技术，自适应线性化偏置技术等[3]；其次是功率合成技术，使得我们多级级联来输出高达几千瓦的功率；另外还有宽带技术，使得我们可以放大带宽高达几十个 GHz以上的信号。由于射频微波功率放大器具有一系列实用性的优点，所以它在中小功率的应用领域已经占领了电真空器件的实用地位，而在高功率应用领域，成为了电真空器件的补充。
1.1.2 研究意义
无线通信系统由基带和射频两部分组成，基带单元主要进行低频率的数模信号的处理，相对应地，射频单元则完成高频信号的处理。主要是进行放大功率、信号调制与解调、滤波等。在一个无线通信系统的发射机中，功率放大器（PA，Power amplifier）的位置在末端，但却是极其重要的、必不可少的是有源器件，主要功能是放大射频信号，使之达到发送到天线上所需要的输出功率。功率放大器处于处在发射机的末端，但是其性能特性对射频前端的指标有着直接性的影响，并且对无线通信系统的性能也产生着极为重要的影响。这些指标主要有功率、效率和线性度等。
为了满足巨大的无线数据市场需求，IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气和电子工程师协会）提出IEEE 802.11ac技术标准，这项技术标准不出意外的话将成为无线局域网络标准的发展方向。该技术标准采用256QAM调制方式，较之前IEEE提出的IEEE 802.11n标准，就调制方式而言，IEEE 802.11acQAM级别更高，也就意味着传输速度更高，传输数据量更大，传输容量也更大。如此大数据量传输的情况下，数据误码率也就不可避免地增高了，为了保证更高的数据可靠性，功率放大器的线性度必须得到提高。对于通信基站来说，为了降低成本，压缩功率放大器的级数和功率管的数量，并且能够在小功率信号输入情况下进行驱动，就要求提高功率放大器的增益；为了增加通信基站的覆盖范围，减小固定区域内所需要设置的基站以节约成本，同时减小电路的尺寸和数量，就要求提高功率放大器的输出功率[4]。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.1.1研究背景 1
1.1.2研究意义 2
第2章功率放大器理论基础 3
2.1传输线理论 3
2.1.1传输线的分类 3
2.1.2等效电路表示法 3
2.1.3特性阻抗 4
2.1.4 1/4波长传输线 5
2.2功率放大器的分类 6
2.2.1A类功率放大器 6
2.2.2 B类功率放大器 7
2.2.3 AB类功率放大器 7
2.2.4 C类功率放大器 8
2.3功率放大器的相关指标 9
2.3.1输出功率 9
2.3.2效率 10
2.3.3线性度 11
第3章匹配网络设计 13
3.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
1 Smith圆图 13
3.1.1图形表示法 13
3.1.2 Smith圆图的应用 14
3.2阻抗匹配 15
3.2.1 L形匹配网络 15
3.2.2 π形匹配网络 16
3.2.3 T形匹配网络 16
3.3输入和输出匹配网络设计 16
3.3.1输入匹配网络设计 16
3.3.2输出匹配网络设计 17
第4章功率放大器的测试 19
4.1性能测试 19
4.1.1稳定性测试 19
4.1.2 S参数 20
4.1.3 1dB压缩点 24
4.2测试结果分析 26
第5章总结与展望 28
5.1论文总结 28
5.2 研究展望 28
致谢 30
参考文献 31
附录 33
第1章 绪论
1.1研究背景及意义
ISM频段指的是用于应用于工业的（Industrial）、科学的（Scientific）、医学（Medical）的频段，也就是说各国挪出一段频段主要开放给工业，科学和医学使用，当然，各个国家关于ISM频段的规定并不统一。
1.1.1 研究背景
随着科学技术的不断发展和进步，无线通信得到了非常迅猛的发展，无线通信技术出现在我们的日常生活中，比如我们现代人所离不开的手机，就是无线通信技术广泛应用的典范。人们的工作和生活都离不开无线通信设备，也正是因为有了无线通信技术，我们的生活才有了巨大的变化[1]。
射频微波通信技术的发展和应用直接决定了无线通信技术的发展。射频功率放大器具有许多一些低频功率放大器无法比拟或者无法实现的优点，比如工作电压低、几何尺寸小、高线性度、低噪声等。也正是因为射频功率放大器的这些优点，射频功率放大器在卫星通信、航空航天、移动通信以及工业科学研究领域才有了如此广泛的应用。也正是因为如此，我们对射频功率放大器的性能的提高也有了越来越严格的要求。现在的主要研究目的是在更宽频带内，进一步提高增益、增加输出功率和效率、改善线性度，也就是提高可靠性。不得不说，推动射频技术迅速发展的两大动力是射频器件和射频技术的不断发展，前者为功率放大器的发展提供了前提条件，而后者则为射频功率放大器的性能的提高和改善不断扫清障碍。
功率放大器的发展体现在各个方面，首先是射频器件上的发展，1948 年 Shockley. Bardeen 等人发明双极晶体管(BJT)，随后又发明了结型场效应管(JFET)，标志着硅双极晶体管在射频微波领域应用的开始。70 年代以后，出现了载流子迁移率高、禁带宽度大的GaAs 肖特基势垒栅场效应晶体管(GaAs MESFET)，使得射频功率放大器具备了一系列优点，比如大功率和低噪声等，射频功率放大器的应用也日益广泛。进入80 年代，异质结双极晶体管(HBT)出现，HBT由ALGaAs/GaAs 或 InP/InGaAs组成，这些器件的使用，可以使得功率放大器工作在毫米波频段。到 90 年代，多种新型固态器件包括异质结场效应管(HFET)和异质结双极管(HBT)如雨后春笋纷纷涌出，这些新型器件放大信号的频率可以达到100GHz 甚至更高频率[2]。随着工业水平的提高和发展，无源器件的生产技术同样得到创新和发展，无源器件不仅尺寸越来越小，精度也变得越来越高，这些变化于高频电路设计来说带来了不可估量的好处。除了射频器件的发展以外，射频技术也有着不可思议的进步。首先是DSP 技术和微处理控制技术，使得各种射频功率放大器线性化技术得到大范围的应用，线性化技术包括：功率回退技术，反馈技术，前馈技术，采用预失真技术，自适应线性化偏置技术等[3]；其次是功率合成技术，使得我们多级级联来输出高达几千瓦的功率；另外还有宽带技术，使得我们可以放大带宽高达几十个 GHz以上的信号。由于射频微波功率放大器具有一系列实用性的优点，所以它在中小功率的应用领域已经占领了电真空器件的实用地位，而在高功率应用领域，成为了电真空器件的补充。
1.1.2 研究意义
无线通信系统由基带和射频两部分组成，基带单元主要进行低频率的数模信号的处理，相对应地，射频单元则完成高频信号的处理。主要是进行放大功率、信号调制与解调、滤波等。在一个无线通信系统的发射机中，功率放大器（PA，Power amplifier）的位置在末端，但却是极其重要的、必不可少的是有源器件，主要功能是放大射频信号，使之达到发送到天线上所需要的输出功率。功率放大器处于处在发射机的末端，但是其性能特性对射频前端的指标有着直接性的影响，并且对无线通信系统的性能也产生着极为重要的影响。这些指标主要有功率、效率和线性度等。
为了满足巨大的无线数据市场需求，IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气和电子工程师协会）提出IEEE 802.11ac技术标准，这项技术标准不出意外的话将成为无线局域网络标准的发展方向。该技术标准采用256QAM调制方式，较之前IEEE提出的IEEE 802.11n标准，就调制方式而言，IEEE 802.11acQAM级别更高，也就意味着传输速度更高，传输数据量更大，传输容量也更大。如此大数据量传输的情况下，数据误码率也就不可避免地增高了，为了保证更高的数据可靠性，功率放大器的线性度必须得到提高。对于通信基站来说，为了降低成本，压缩功率放大器的级数和功率管的数量，并且能够在小功率信号输入情况下进行驱动，就要求提高功率放大器的增益；为了增加通信基站的覆盖范围，减小固定区域内所需要设置的基站以节约成本，同时减小电路的尺寸和数量，就要求提高功率放大器的输出功率[4]。
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