射頻功率放大器在雷達(dá)、無(wú)線通信、導(dǎo)航、衛(wèi)星通訊、電子對(duì)抗設(shè)備等系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)代無(wú)線通信的關(guān)鍵設(shè)備。與傳統(tǒng)的行波放大器相比，射頻固態(tài)功率放大器具有體積小、動(dòng)態(tài)范圍大、功耗低、壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)；由于射頻功率放大器在軍事和個(gè)人通信系統(tǒng)中的地位非常重要，使得功率放大器的研制變得十分重要。因此對(duì)該課題的研究具有非常重要的意義。

　　射頻功率放大器總是要求在一定頻率范圍內(nèi)輸出一定的功率，同時(shí)滿(mǎn)足系統(tǒng)的線性度和高效率要求。射頻功率放大器總是工作在大信號(hào)狀態(tài)下，它所用的放大器件和電路設(shè)計(jì)方法都不同于小信號(hào)放大器，導(dǎo)致了功率放大器的設(shè)計(jì)難度較大。

　　且前GaAs FET器件由于噪聲低、效率高、線性度好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于射頻功率放大器。本文討論了GaAs FET有源器件的模型，利用S參數(shù)分析了射頻功率放大器的增益和穩(wěn)定性，詳細(xì)討論了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置網(wǎng)絡(luò)的具體實(shí)現(xiàn)，綜述了射頻功率放大器的幾種主要設(shè)計(jì)方法。本文對(duì)射頻功率放大器的研制包括：驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器和末級(jí)放大器的研制。設(shè)計(jì)軟件采用Agilent ADS軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，在選定合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，對(duì)放大器的靜態(tài)偏置點(diǎn)、輸入輸出匹配電路進(jìn)行仿真，通過(guò)應(yīng)用小信號(hào)s 參數(shù)設(shè)計(jì)方法和非線性設(shè)計(jì)方法分別設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)級(jí)和末級(jí)放大器，指出了設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些問(wèn)題。最后對(duì)該設(shè)計(jì)電路中的不足之處進(jìn)行了分析總結(jié)。

　　射頻功率放大器（RFPA）由于具有工作電壓低、尺寸小、線性度高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、雷達(dá)和電子戰(zhàn)以及各種工業(yè)裝備中。隨著無(wú)線通信和軍事領(lǐng)域新標(biāo)準(zhǔn)新技術(shù)的不斷發(fā)展，日益要求提高射頻功率放大器的性能，使之在更寬頻帶內(nèi)，具有更高的輸出功率、效率和可靠性。例如在通信基站中，因?yàn)镃DMA 基站采用四相相移鍵控（QPSK）技術(shù)，需要對(duì)多路載波同時(shí)放大，此時(shí)信號(hào)幅度將隨時(shí)間劇烈變化，要求峰．均比達(dá)10～13 dB，所以要求PA具有較高的線性度；在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)3G中，要求數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到2M biffs，單個(gè)信號(hào)的帶寬達(dá)5MHz，這就需要PA具有寬帶特性；為了降低通信運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本，減小冷卻成本，易于熱控制，就要求提高PA的效率；為了減小功率放大的級(jí)數(shù)和功率管的使用數(shù)量，以更低的功率進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，降低成本，就要求提高放大器的增益；為了增加通信基站的覆蓋范圍，減小固定區(qū)域內(nèi)所需要設(shè)置的基站以節(jié)約成本，同時(shí)減小電路的尺寸和重量，就要求提高PA的輸出功率。所有的這些問(wèn)題，對(duì)射頻功率放大器的設(shè)計(jì)提出了新的要求。

　　近五十年來(lái)射頻器件和射頻技術(shù)的不斷發(fā)展是推動(dòng)射頻功率放大器發(fā)展的兩大因素。射頻器件的發(fā)展使射頻功率放大器的發(fā)展成為可能，射頻技術(shù)的發(fā)展使射頻功率放大器的性能不斷得到提高。

　　1）在射頻器件方面：1948年Shockley．Bardeen等人發(fā)明雙極晶體管（BJT）及1952 年提出結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）以后，硅雙極晶體管開(kāi)始應(yīng)用于射頻微波領(lǐng)域，從而可以對(duì)從幾百兆赫叫Ⅲ7）到Ka波段的信號(hào)進(jìn)行放大；70年代以后，GaAs單晶及其外延技術(shù)獲得突破，GaAs肖特基勢(shì)壘柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（GaAs MESFET）研制成功，由于GaAs 材料載流子遷移率高、禁帶寬度大，從而使射頻微波功率放大器具有高頻率、低噪聲、大功率等一系列優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)入80年代，由于分子速外延技術(shù)和有機(jī)金屬化學(xué)沉積技術(shù)的進(jìn)展，超薄外延層的厚度及雜質(zhì)濃度得以精確控制，使異質(zhì)結(jié)器件迅速發(fā)展，由ALGaAs／GaAs或InP／InGaAs組成的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）相續(xù)研制成功，采用這些器件設(shè)計(jì)射頻功率放大晶體管，使射頻固態(tài)功率放大器的工作頻率達(dá)到毫米波頻段；到90年代，激增了多種新型固態(tài)器件，如高電子遷移管（HEm），假同晶高電子遷移管（PHEMT），異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管g-WET）和異質(zhì)結(jié)雙極管（I-mT），同時(shí)使用了多種新材料如InP，SiC及CaN等。這些器件能夠?qū)?00GHz乃至更高頻率的信號(hào)進(jìn)行放大，而且在多數(shù)情況下可以運(yùn)用MMIC技術(shù)。其中高電子遷移率晶體管（HEMT）的低噪聲性能比場(chǎng)效應(yīng)管更優(yōu)越，運(yùn)用這種器件設(shè)計(jì)成低噪聲放大器，在c波段噪聲溫度可達(dá) 250K左右，廣泛用于衛(wèi)星接收；而PHEMT則用一個(gè)InGaAs薄層來(lái)作為溝道的材料，同時(shí)在AICaAs／InGaAs異質(zhì)交界面上具有一個(gè)更大的不均勻?qū)?，使其比HEMT能容納更高的電流密度和跨導(dǎo)，從而可以在較寬的工作電流范圍內(nèi)保持更低噪聲系數(shù)和更高增益，這激起了人們對(duì)設(shè)計(jì)高速、高頻、低噪聲、高增益的射頻固態(tài)功率放大器的極大興趣。以此同時(shí)，單片集成（MMIC）射頻器件也在快速發(fā)展，這是一種可以在幾平方毫米砷化鎵（GaAs）基片上集成微波放大器電路的技術(shù)，其體積小，增益高，己越來(lái)越受到用戶(hù)的青睞。

　　另外隨著新型材料和工業(yè)技術(shù)水平的發(fā)展，無(wú)源器件的制造技術(shù)也得到不斷革新，無(wú)源器件的尺寸不斷減小，精度不斷提高，大大降低了無(wú)源器件寄生參數(shù)在高頻電路設(shè)計(jì)時(shí)所帶來(lái)的影響。

　　21在射頻技術(shù)方面：非線性是高功率放大器設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，但是，隨著DSP技術(shù)和微處理控制技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，使得我們能夠廣泛地應(yīng)用各種功率放大器線性化技術(shù)，如復(fù)雜的反饋技術(shù)和預(yù)失真技術(shù)來(lái)提高放大器的效率及線性度；功率合成技術(shù)的發(fā)展，使我們可以采用多個(gè)放大管輸出高達(dá)幾千瓦的功率：寬帶技術(shù)使我們可以對(duì)帶寬達(dá)幾十個(gè)GHz以上的信號(hào)進(jìn)行放大；以此同時(shí)，各種效率增強(qiáng)技術(shù)為我們提高功率放大器的效率提供了方便。

　　如今，通過(guò)采用新型的器件和新穎設(shè)計(jì)技術(shù)，人們己經(jīng)開(kāi)發(fā)出各種功率放大器來(lái)滿(mǎn)足通信及軍事上的需求。射頻微波功率放大器由于其所具有的優(yōu)點(diǎn)，在中小功率的應(yīng)用領(lǐng)域已基本取代電真空器件，并在高功率應(yīng)用領(lǐng)域逐漸成為電真空器件的有益補(bǔ)充，因而開(kāi)展固態(tài)功率放大器具有十分重要的意義。

　　3）在電路設(shè)計(jì)方面

　　在射頻晶體管設(shè)計(jì)思想發(fā)展的同時(shí)， 射頻電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。由于射頻電路較難進(jìn)行微調(diào)， 在技術(shù)性能要求比較嚴(yán)格的放大器中， 噪聲系數(shù)， 工作頻帶， 增益平坦度， 輸入輸出駐波比等許多指標(biāo)是相互聯(lián)系，需要綜合考慮，提高了設(shè)計(jì)難難度。借助計(jì)算機(jī)模擬仿真是最好的解決方法。

　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)被應(yīng)用到射頻電路的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，很多軟件公司開(kāi)發(fā)出了射頻微波電路仿真軟件。首先，這些軟件集成了大量的有源和無(wú)源器件的數(shù)學(xué)模型，甚至可以對(duì)電路的器件進(jìn)行三維模型仿真，借助于器件模型精度的不斷提高和計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高，設(shè)計(jì)者能在很短的時(shí)間內(nèi)得到與實(shí)際非常接近的結(jié)果。第二，射頻微波電路一般都需要很大的運(yùn)算量，借助現(xiàn)代的CAD軟件，可以很容易的完成這些復(fù)雜的計(jì)算，極大提高設(shè)計(jì)人員的效率。最后，通過(guò)CAD仿真，設(shè)計(jì)者能在計(jì)算機(jī)上得到電路的仿真結(jié)果，并能對(duì)電路的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行修改和優(yōu)化，通過(guò)比較仿真結(jié)果就能選擇一個(gè)最佳的電路方案，從而減少電路的調(diào)試時(shí)間，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

　　目前，國(guó)內(nèi)外的很多公司已廣泛采用CAD技術(shù)進(jìn)行射頻電路的仿真與設(shè)計(jì)，在高功率放大器中的有源器件模型非常復(fù)雜，目前它的精度具有一定的范圍，設(shè)計(jì)時(shí)主要采用軟件仿真指導(dǎo)加調(diào)試的方法。

　　隨著人類(lèi)社會(huì)進(jìn)入信息時(shí)代，無(wú)線通信技術(shù)有了飛速的發(fā)展，尤其是射頻微波通信技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展無(wú)疑對(duì)無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展起到了決定的作用。高頻電磁波具有一些頻率低端無(wú)法比擬或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，如微波、毫米波能夠穿透地球大氣電離層，實(shí)現(xiàn)航天通信，所以開(kāi)發(fā)射頻微波通信具有現(xiàn)實(shí)意義。頻率高端中的微波頻段是目前研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)，這導(dǎo)致了射頻有源電路研制的繁榮。在幾乎所有的射頻微波系統(tǒng)中，都離不開(kāi)對(duì)信號(hào)的放大，射頻放大器在有源電路中占據(jù)了突出的位置。

　　射頻功率放大器的應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛，比如在雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、衛(wèi)星地面站、電子對(duì)抗設(shè)備中都需要它。如在有源***中，射頻功率放大器就扮演著重要的角色。有源***的重要組成部分是T／R組件，T／R組件是系統(tǒng)成本高低的決定性因素之一，其性能的好壞將影響***系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)能力、作用距離等戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。在T／R組件的設(shè)計(jì)中一方面要求有高功率，同時(shí)還要求體積小、重量輕，可靠性高、成本低等。射頻功率放大器作為T(mén)／R組件的重要組成部分，直接決定著上述技術(shù)參數(shù)：射頻功率放大器還能制成固態(tài)發(fā)射機(jī)；在電子戰(zhàn)中，射頻功放可制成有源誘餌，避免飛機(jī)被導(dǎo)彈攻擊：在通信中，射頻功率放大器廣泛用于小功率或低數(shù)據(jù)率終端，如射頻功率放大器的效率就很大程度上決定著個(gè)人移動(dòng)電話的通話和待機(jī)時(shí)間?？傊谛枰獙?duì)射頻信號(hào)進(jìn)行功率放大的設(shè)備中都離不開(kāi)射頻功率放大器。

　　與低噪聲放大器相比，射頻功率放大器除了要滿(mǎn)足一定的增益、駐波比、頻帶外，突出的要求是高輸出功率和高轉(zhuǎn)換效率及減小非線性失真。

　　按照晶體管的使用材料不同，射頻功率放大器可以分為硅雙極性晶體管功率放大器，砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管功率放大器（MESFET）、邊緣擴(kuò)散場(chǎng)效應(yīng)晶體管放大器 （LDMOSFET）、砷化鎵異質(zhì)結(jié)晶體管（HBT）和SiC FET。硅雙極性晶體管廣泛用于3GHz 以下的連續(xù)波和脈沖放大器中。硅雙極性晶體管的上限頻率主要受到硅半導(dǎo)體中載流子遷移率的限制，還受到晶體管各部分尺寸的限制，它的輸出功率是由擊穿電壓、散熱和放大器的工作類(lèi)型所確定的。LDMOS FET也主要用于3 GHz以下的頻率，它使用邊緣擴(kuò)散的工藝，較好地解決了雙極性晶體管電流漂移和門(mén)限電壓偏移的問(wèn)題，還具有大的輸出功率、較高的效率和良好的線性度。GaAs MESFET以其優(yōu)良的高頻特性和高可靠性，己廣泛地應(yīng)用于衛(wèi)星通訊、電子工程、微波數(shù)字通訊等多種領(lǐng)域。GaAs 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管在微波頻率有可能取代功率MESFET，其特點(diǎn)是在高增益和高功率效率下，可工作在B類(lèi)或c類(lèi)。SiC有可能制造出用于高溫大功率和高頻范圍的微波毫米波晶體管。

　　從元件集成度看，射頻功率放大器可分為單片集成放大器和晶體管分離元件放大器。單片集成放大器是將輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)、直流偏置電路以及放大管管芯等都集成在一塊很小的GaAs為襯底的芯片上面，因此它具有體積小、重量輕、可靠性高、成木低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以免去使用者再對(duì)輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間。一般設(shè)計(jì)好的單片集成功率放大器的輸入輸出阻抗是與50 Q相互匹配。由于匹配網(wǎng)絡(luò)中L，c分別由金絲、金箔構(gòu)成，其承受功率相對(duì)較小，而且由于體積小，直流消耗功率較大，管芯到元件表面的熱阻大，因此單片集成功率放大器不適合大功率輸出，它一般多用于大功率發(fā)射機(jī)的前級(jí)或驅(qū)動(dòng)級(jí)。晶體管分離元件放大器是把匹配網(wǎng)絡(luò)、管芯、偏置電路分開(kāi)，單獨(dú)的晶體管只是管芯加了一個(gè)封裝，不包含其他電路。它一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是可以輸出較大的功率，通常它的體積較大，使用者必須自行設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)和設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)。所以它一般多用于地面基站的大功率發(fā)射機(jī)的末級(jí)。晶體管分離元件放大器又分為單管功率放大器和平衡功率放大器，其中平衡功率放大器具有失配小、級(jí)問(wèn)隔離度好、電路工作穩(wěn)定、偶次諧波抵消好、易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，多用于末級(jí)放大器電路中。

　　從放大器的工作狀態(tài)可以分為A類(lèi)，AB類(lèi)，B類(lèi)，c類(lèi)，還有工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的E類(lèi)和F類(lèi)放大器。其中A類(lèi)功率放大器的線性度最好，線性放大器一般采用A 類(lèi)或AB類(lèi)工作狀態(tài)，而B(niǎo)類(lèi)，c類(lèi)以及E、F類(lèi)放大器的主要優(yōu)點(diǎn)是提高放大器的效率。設(shè)計(jì)時(shí)一般根據(jù)放大器的各項(xiàng)指標(biāo)綜合考慮，如效率，線性度，輸出功率，工作頻率范圍等要求，選擇合適的器件類(lèi)型并選用正確的電路形式來(lái)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求的功率放大器。