賽英公司法人代表、董事長張玉興教授耗時(shí)2年編著的650頁宏篇巨著——射頻與微波晶體管功率放大器工程，將于2010年上半年由電子工業(yè)出版社出版，敬請同行關(guān)注!
前言
信號與信息傳輸系統(tǒng)，不管這傳輸媒介是空氣、傳輸線、光纖還是波導(dǎo)，在傳輸?shù)倪^程中信號都會有損耗。因此在信號的發(fā)送端頭需要把被發(fā)送的信號放大到一定的電平，然后再通過媒介傳送。在無線信號傳輸系統(tǒng)中，信號通過天線向空間輻射，傳輸距離可能從幾米，幾公里，幾十公里到幾百上千公里，這就是說發(fā)送端需要幾瓦，幾十瓦，乃至幾百上千瓦的發(fā)射功率，因此，無論是通信、雷達(dá)、定位、導(dǎo)航、遙測遙控、空間技術(shù)、電視廣播等信號傳輸系統(tǒng)中都需要發(fā)射機(jī)。而發(fā)射機(jī)中的核心就是射頻和微波功率放大器。現(xiàn)代移動通信中的基站發(fā)射機(jī)功率為幾十瓦，而手持機(jī)的功率為幾百毫瓦，雷達(dá)發(fā)射機(jī)的脈沖功率高達(dá)幾個(gè)千瓦到幾十，上百千瓦。中短波、超短波，VHF/UHF的廣播、電視、通信發(fā)射機(jī)的功率從瓦級到幾十上百瓦，高至千瓦級。上述系統(tǒng)的頻率從幾百KHZ，一直覆蓋到微波波段。功率放大器覆蓋這么寬的頻帶，功率范圍從幾百毫瓦到幾十千瓦，對功率放大器的指標(biāo)要求，頻帶要求，不同的應(yīng)用場合，需求都是不一樣的。各個(gè)頻段的功率放大器，特別是射頻段和微波波段，可能的電路結(jié)構(gòu)形式是完全不一樣的。
現(xiàn)代移動通信技術(shù)在飛速發(fā)展，模擬通信體制逐漸退出歷史舞臺，數(shù)字通信體制在更新?lián)Q代。所有這些變革都對RF、微波功率放大器的指標(biāo)要求愈來愈苛刻。功率放大器如何滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)的要求，仍是擺在我們面前的艱巨的任務(wù)。新一代移動通信中的發(fā)射機(jī)，效率和線性度這兩個(gè)指標(biāo)擺到了最重要的位置。為了滿足這種苛刻的要求，研發(fā)出許多新型發(fā)射機(jī)的方案，一些正在成熟，而有些還仍在研發(fā)之中。
除了性能指標(biāo)之外，價(jià)格因素也是必須考慮的問題。移動通信領(lǐng)域中的市場競爭尤其激烈，價(jià)格競爭是一個(gè)最主要的領(lǐng)域。功率放大器的價(jià)格是影響系統(tǒng)價(jià)格的最主要的因素之一。因此，高指標(biāo)、低價(jià)格是現(xiàn)代功率放大器設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)。
RF和微波功率放大器的設(shè)計(jì)技術(shù)是一們古老的技術(shù)，但也是仍在不斷更新的技術(shù)。功率放大器分成A類、B類和C類的方法早在上世紀(jì)30年代就開始了。至今，這個(gè)概念還在使用。由于移動通信新一代數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的使用，要求功率放大器高的線性度。為了滿足系統(tǒng)要求，老的設(shè)計(jì)方法，如效率與功率的拆衷、功率和線性度之間的拆衷等等，仍在使用“古老”的分析方法。今天，這種方法對功率放大器的設(shè)計(jì)仍起到了指導(dǎo)作用。當(dāng)然，現(xiàn)代功率放大器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已成為必不可少的工具，掌握他是勢在必行。
現(xiàn)代通信技術(shù)的日新月異，促進(jìn)了功率放大器技術(shù)的發(fā)展，尤其是功率放大器的線性化技術(shù)、功率放大器效率提高技術(shù)、兼顧功率放大器線性度和效率技術(shù)等等更是紛紛出籠。例如，Doherty技術(shù)、前饋技術(shù)、預(yù)失真技術(shù)、異相技術(shù)等等。這些新技術(shù)很多已應(yīng)用在現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)中，還有一些正在發(fā)展之中。
射頻與微波功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)踐，在我國仍是一個(gè)較薄弱環(huán)節(jié)。雖然，目前已出現(xiàn)幾家專門研發(fā)和生產(chǎn)功率放大器的專門公司，例如 等等。筆者認(rèn)為編著一種既有原理，設(shè)計(jì)方法，又有工程實(shí)踐的書是完全必要的。功率放大器，現(xiàn)在，至少今后幾十年，仍是一門不能集成的電路技術(shù)，尤其是大功率放大器。其理由是眾所周知的。射頻和微波電路中的分布參數(shù)、寄身參數(shù)及互相耦合的影響是不能忽略的。功率放大器電路板布板技術(shù)的好壞，在某些應(yīng)用中，是電路能否成功的關(guān)鍵。一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的功率放大器，布板不好引起失敗的例子很多。因此，本書在編寫的過程中，盡可能的介紹在方面的經(jīng)驗(yàn)與例子。功率放大器除了設(shè)計(jì)和布板之外，還存在很多工程問題，如元器件的選擇、饋電、熱設(shè)計(jì)、功率放大器保護(hù)等等，這涉及很寬的電路知識。本書在這方面也作一些介紹，當(dāng)然，限于篇幅，不可能對每一個(gè)部分作詳細(xì)介紹。
功率放大器的核心是晶體管，如何正確理解晶體管、正確選擇晶體管、理解各類晶體管的特性往往是電路設(shè)計(jì)者的薄弱環(huán)節(jié)。本著作幾乎用了一章的篇幅來介紹在方面的內(nèi)容。特別是如何理解晶體管數(shù)據(jù)表上給出的直流參數(shù)、功能參數(shù)、極限參數(shù)，特別是極限參數(shù)的測量及限制等等。
射頻和微波功率放大器使用的晶體管有：雙極晶體管(BJT)、砷化鎵金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管(GaAsMESFET)、結(jié)型場效應(yīng)管(FET)、橫向擴(kuò)散場效應(yīng)管(LDMOS),現(xiàn)在，又出現(xiàn)了新穎的功率晶體管——氮化鎵晶體管(GaN)、INGaP、GaAs HBT等等。這些晶體管的一些選用，本書也作了介紹。
本書的一個(gè)最大的特點(diǎn)是：用了很大的篇幅介紹數(shù)字通信的信號調(diào)制的性質(zhì)和特點(diǎn)，用于放大這樣的信號的功率放大器的要求是什么。使功率放大器設(shè)計(jì)工程師更為明確目標(biāo)和目的。著作中給出了很多的工程設(shè)計(jì)的實(shí)例，這些例子都來源于國外的文獻(xiàn)資料。筆者也有這方面很多的工程設(shè)計(jì)實(shí)例和實(shí)際測量數(shù)據(jù)，但限于一些因素，不便于發(fā)表。
射頻和微波固體功率放大器仍在不斷的發(fā)展之中，很多指標(biāo)以前認(rèn)為作不到的正在被刷新。在書中要及時(shí)反映這些變化與發(fā)展是不可能的。因此，本著作的理論核心側(cè)重于基本概念、基本原理、基本設(shè)計(jì)方法。在這基礎(chǔ)上，再歸納出工程設(shè)計(jì)近似法。
功率放大器工作在大信號狀態(tài)，嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析是不可能的。為了給出定量分析的結(jié)果，常常要作很多假設(shè)。假設(shè)符合實(shí)際工程情況嗎?假設(shè)得到的近似滿足工程設(shè)計(jì)的精度嗎?這些都要一一驗(yàn)證。本書給出了這個(gè)過程。
本書編寫的工作量很大，在編寫的過程中得到了很大人的幫助。其中主要的是我眾多的研究生和成都賽英科技有限公司的技術(shù)同行，作者在此表示我衷心的感謝。
張玉興于2009.6.8.
目錄
第一章 緒論
§1-1 現(xiàn)代數(shù)字通信體制的特點(diǎn)
§1-1-1 功率放大器在無線通信系統(tǒng)中的地位
§1-1-2 功率放大器波形質(zhì)量的測量
§1-1-3 功率效率的測量
§1-1-4 功放線性化技術(shù)和效率提高技術(shù)
§1-2 射頻與微波固體功率放大器的特點(diǎn)
§1-3 射頻和微波功率放大器的分析方法綜述
§1-3-1 線性近似化理論
§1-3-2 弱非線性器件的分析方法
§1-3-3 強(qiáng)非線性效應(yīng)下的近似分析法
§1-3-4 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和非線性器件模型
§1-3-5 負(fù)載牽引設(shè)計(jì)法
§1-4 射頻和微波固體功率放大器中的新穎技術(shù)
§1-4-1 功率放大器的線性化技術(shù)
§1-4-2 效率及線性化增強(qiáng)技術(shù)
第二章 射頻和微波晶體管功率放大器基礎(chǔ)
§2-1 射頻和微波功率晶體管的直流參數(shù)和功能參數(shù)
§2-1-1 直流參數(shù)
§2-1-2 極限參數(shù)和熱特性
§2-1-3 功率晶體管的功能特性
§2-1-4 低功率晶體管的功能特性
§2-1-5 線性模塊的功能特性
§2-1-6 功率模塊的功能性特
§2-2 射頻和微波晶體管應(yīng)用基礎(chǔ)
§2-2-1 低功率晶體管的選擇
§2-2-2 高功率晶體管的選擇
§2-2-3 晶體管選擇時(shí)的帶寬考慮
§2-2-4 MOSFET與雙極晶體管的選擇
§2-2-5 選擇功率晶體管其他考慮因素
§2-3 FET和雙極晶體管的參數(shù)和電路比較
§2-3-1 晶體管類型
§2-3-2 參數(shù)的比較
§2-3-3 電路組態(tài)
§2-4 影響功率放大器設(shè)計(jì)的其他因素
§2-4-1 工作類別
§2-4-2 調(diào)制類型
§2-4-3 線性工作偏置的考慮
§2-4-4 脈沖模式工作的晶體管
§2-5 LDMOS功率晶體管及他們的應(yīng)用
§2-5-1 LDMOSFET與垂直MOSFET的比較
§2-5-2 LDMOS器件設(shè)計(jì)
§2-5-3 LDMOS的特性
§2-5-4 FET的一些近似設(shè)計(jì)考慮
§2-5-5 LDMOS晶體管在現(xiàn)代移動蜂窩技術(shù)中的應(yīng)用
§2-5-6 射頻功率放大器的特性
§2-5-7 線性度考慮
§2-5-8 W-CDMA功率放大器設(shè)計(jì)實(shí)際例子
§2-5-9 CDMA放大器設(shè)計(jì)和優(yōu)化的電路技術(shù)
§2-5-10 LDMOS晶體管的模型
§2-6 射頻和微波功率放大器的附加電路
§2-6-1 固體功率放大器的VSWR保護(hù)
§2-6-2 功率放大器的負(fù)載失配量的“在線”測試電路
§2-6-3 輸出濾波
§2-7 寬帶阻抗匹配的基本概念
§2-7-1 寬帶電路介紹
§2-7-2 傳統(tǒng)的RF變壓器阻抗變換器
§2-7-3 絞線RF變壓器阻抗變換器
§2-7-4 傳輸線RF變壓器阻抗變換器
§2-7-5 等延遲傳輸線RF變壓器阻抗變換器
§2-8 射頻和微波功率放大器的總體設(shè)計(jì)思想
§2-8-1 單端、平衡(并聯(lián))或者推挽功率放大器
§2-8-2 單端RF功率放大器設(shè)計(jì)思想
§2-8-3 雙極晶體管并聯(lián)功率放大器
§2-8-4 MOSFET晶體管并聯(lián)功率放大器
§2-8-5 推挽功率放大器
§2-8-6 功率晶體管的阻抗和放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)
§2-8-7 功率放大器系統(tǒng)的級間匹配電路
§2-8-8 單級設(shè)計(jì)的實(shí)際例子
§2-9 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序
§2-9-1 概況
§2-9-2 Motorola阻抗匹配程序的內(nèi)部
第三章 射頻和微波功率放大器的結(jié)構(gòu)技術(shù)及可靠性技術(shù)
§3-1 RF功率晶體管的封裝類型
§3-2 封裝對發(fā)射極/源極阻抗的影響
§3-3 射頻和微波功率放大器印刷電路板的布局
§3-4 射頻和微波元器件安排
§3-4-1 高功率晶體管的安裝
§3-4-2 低功率晶體管的安裝
§3-4-3 射頻功率模塊的安裝
§3-5 射頻和微波功率放大器的可靠性考慮
§3-5-1 芯片溫度和他對可靠性的影響
§3-5-2 其他可靠性考慮
第四章 線性功率放大器的設(shè)計(jì)和功率放大器的線性化技術(shù)
§4-1 非線性電路基本概念與定義
§4-1-1 線性與非線性
§4-1-2 頻率的產(chǎn)生
§4-1-3 非線性現(xiàn)象
§4-1-4 放大器中的非線性現(xiàn)象
§4-2 線性晶體管功率放大器的設(shè)計(jì)
§4-2-1 A類放大器和線性放大
§4-2-2 增益匹配和功率匹配
§4-2-3 負(fù)載牽引測量
§4-2-4 商用負(fù)載牽引測量設(shè)備
§4-2-5 負(fù)載線理論
§4-2-6 封裝效應(yīng)和負(fù)載牽引理論
§4-2-7 用CAD程序作負(fù)載牽引等功率
§4-2-8 A類功率放大器設(shè)計(jì)的實(shí)際例子
§4-2-9 總結(jié)
§4-3 功率放大器的線性化技術(shù)
§4-3-1 負(fù)反饋線性化技術(shù)
§4-3-2 預(yù)失真技術(shù)
§4-3-3 前饋技術(shù)
第五章 高效率射頻和微波固體功率放大器設(shè)計(jì)
§5-1 功率放大器減小導(dǎo)通角的波形分析
§5-2 功率放大器輸出端口
§5-3 減小導(dǎo)通角工作模式分析
§5-3-1 A類工作條件
§5-3-2 AB類工作條件
§5-3-3 B類工作狀態(tài)
§5-3-4 C類工作狀態(tài)
§5-3-5 晶體管的開啟(膝)電壓的影響
§5-3-6 功率轉(zhuǎn)移特性和線性度
§5-3-7 對輸入驅(qū)動的要求
§5-3-8 本節(jié)小結(jié)
§5-4 降低導(dǎo)通角高效率功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)
§5-4-1 低通匹配網(wǎng)絡(luò)
§5-4-2 傳輸線網(wǎng)絡(luò)
§5-4-3 諧波短路
§5-4-4普通的的MESFET晶體管
§5-4-5 850MHz 2W B類功率放大器設(shè)計(jì)實(shí)例
§5-4-6 “π”型功率匹配網(wǎng)絡(luò)
§5-4-7 功率放大器中的“π”型匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和分析
§5-4-8 使用負(fù)載牽引法的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和分析
§5-5 射頻和微波功率放大器中的過驅(qū)動和限制效應(yīng)
§5-5-1 過驅(qū)動A類功率放大器
§5-5-2 過驅(qū)動減小導(dǎo)通角模式的功率放大器
§5-5-3 正弦波的矩形化：F類和D類工作狀態(tài)
§5-5-4 實(shí)際的F類功率放大器
§5-5-5 具有諧波短路的過驅(qū)動功率放大器
§5-6 射頻應(yīng)用的開關(guān)模式放大器
§5-6-1 簡單的(射頻應(yīng)用)開關(guān)模式放大器
§5-6-2 調(diào)諧開關(guān)模功率放大器
§5-6-3 D類開關(guān)模功率放大器
§5-6-4 E類開關(guān)模功率放大器
第六章 射頻和微波功率放大器的電路技術(shù)
§6-1 推挽放大器
§6-2 平衡功率放大器
§6-3 射頻和微波功率放大器中的頻率補(bǔ)償和負(fù)反饋
§6-3-1 頻率補(bǔ)償
§6-3-2 負(fù)反饋
第七章 功率合成與分配技術(shù)
§7-1 概述
§7-1-1 合成概念的演變
§7-1-2 合成的基本原理
§7-1-3 合成的網(wǎng)絡(luò)特性
§7-2 功率合成器/分配器的類型
§7-2-1 諧振和非諧振腔體合成器/功分器
§7-2-2 非諧振的N路合成器
§7-2-3 空間功率合成器
§7-3 功率合成器/分配器的分析方法
§7-3-1 傳輸線合成器的分析
§7-3-2 平面二維功率合成結(jié)構(gòu)的分析
§7-3-3 波導(dǎo)和腔體合成器的分析
§7-3-4 空間功率合成結(jié)構(gòu)的分析
§7-4 常規(guī)功率分配與合成技術(shù)
§7-4-1 Wilkinson 功率分配器
§7-4-2 耦合線定向耦合器
§7-4-3 微波混合橋
§7-4-4 同軸電纜變換器和合成器
§7-4-5 平行耦合線(雙絞線)及同軸線阻抗變換器和平衡-不平衡變換器
§7-5 新型功率分配與合成技術(shù)
§7-5-1 基于DGS結(jié)構(gòu)的不等分功率合成技術(shù)
§7-5-2 基于多層結(jié)構(gòu)的小型化超寬帶合成技術(shù)
§7-5-3 任意雙頻段功分與合成技術(shù)
§7-6 空間功率合成技術(shù)
§7-6-1 概述
§7-6-2 擴(kuò)展同軸波導(dǎo)內(nèi)空間功率合成技術(shù)
§7-6-3 徑向波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)
§7-6-4 基片集成波導(dǎo)空間功率合成技術(shù)
§7-7 大功率合成技術(shù)簡介
§7-7-1 傳輸線的功率容量
§7-7-2 大功率合成器的設(shè)計(jì)實(shí)例
§7-8 小結(jié)
第八章 射頻和微波功率放大器中的記憶效應(yīng)和失真
§8-1 介紹
§8-1-1 本章的目的
§8-1-2 線性化和記憶效應(yīng)
§8-1-3 本章的主要內(nèi)容
§8-2 電路理論和方法
§8-2-1 電系統(tǒng)的分類
§8-2-2 非線性系統(tǒng)的頻譜計(jì)算
§8-2-3 無記憶非線性系統(tǒng)中的頻譜再生
§8-2-4 非線性效應(yīng)與信號帶寬的關(guān)系
§8-2-5 非線性系統(tǒng)分析
§8-2-6 小結(jié)
§8-2-7 需記住的要點(diǎn)
§8-3 射頻功率放大器中的記憶效應(yīng)
§8-3-1 效率
§8-3-2 線性化
§8-3-3 電記憶效應(yīng)
§8-3-4 熱記憶效應(yīng)
§8-3-5 幅度域效應(yīng)
§8-3-6 總結(jié)
§8-3-7 記憶要點(diǎn)
§8-4 Volterra模型
§8-4-1 非線性建模
§8-4-2 非線性I-V和Q-V特性
§8-4-3 共射BJT/HBT模型
§8-4-4 在BJT共射放大器中的IM3
§8-4-5 MESFET建模及分析
§8-4-6 小結(jié)
§8-4-7 記憶要點(diǎn)
§8-5 Volterra模型的特性描述
§8-5-1 擬合多項(xiàng)式模型
§8-5-2 自熱效應(yīng)
§8-5-3 直流 I-V 特性
§8-5-4 交流特性描述步驟
§8-5-5 脈沖S-參數(shù)測量
§8-5-6 封裝效應(yīng)的去除
§8-5-7 小信號參數(shù)的計(jì)算
§8-5-8 擬合法交流測量
§8-5-9 1-W BJT的非線性模型
§8-5-10 1-W MESFET 的非線性模型
§8-5-11 30-W LDMOS的非線性模型
§8-5-12 小結(jié)
§8-5-13 記憶要點(diǎn)
§8-6 仿真及測量記憶效應(yīng)
§8-6-1 仿真記憶效應(yīng)
§8-6-2 記憶效應(yīng)的測量
§8-6-3 記憶效應(yīng)與線性化
§8-6-4 小結(jié)
§8-6-5 記憶要點(diǎn)
§8-7 記憶效應(yīng)的抵消
§8-7-1 包絡(luò)濾波法
§8-7-2 阻抗優(yōu)化
§8-7-3 包絡(luò)注入
§8-7-4 小結(jié)
§8-7-5 記憶要點(diǎn)
附錄7A: Volterra 分析基礎(chǔ)
附錄7B: 截?cái)嗾`差
附錄7C:平方非線性級聯(lián)時(shí)的IM3公式
附錄 7D: 測量系統(tǒng)的有關(guān)問題
第九章 異相射頻與微波功率放大器
§9-1異相微波功率放大器的介紹
§9-1-1 從歷史角度來看異相放大器
§9-1-2 異相放大理論的介紹
§9-2 反相功率放大系統(tǒng)的線性性能
§9-2-1介紹
§9-2-2 數(shù)字調(diào)制技術(shù)
§9-2-3 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的基帶濾波
§9-2-4 異相放大器信號分量的分離
§9-2-5 路徑不均衡和他對線性度的影響
§9-2-6 正交調(diào)制器誤差對線性度的影響
§9-2-7 SCS量化誤差對于異相系統(tǒng)的影響
§9-2-8 重構(gòu)濾波器和DSP抽樣率對線性度影響
§9-2-9總結(jié)
§9-3 異相放大器中降低路徑失配的技術(shù)
§9-3-1 簡介
§9-3-2 基于訓(xùn)練矢量的改進(jìn)方法
§9-3-3 數(shù)據(jù)傳輸中路徑失配誤差的校正方案
§9-3-4 寬帶應(yīng)用中的失配校正方法
§9-3-5 VCO驅(qū)動合成
§9-4 異相功率放大器中的功率合成及效率增強(qiáng)技術(shù)
§9-4-1 介紹
§9-4-2 異相放大器中的功率合成技術(shù)
§9-4-3 異相系統(tǒng)的放大器選擇
§9-4-4 利用A、B、C類放大器設(shè)計(jì)異相放大器
§9-4-5 Chireix功率合成技術(shù)
§9-4-6 開關(guān)模式放大器(D類和E類)的功率合成器的設(shè)計(jì)
§9-4-7 在異相功率放大器中使用有損耗的功率合成器
§9-4-8 輸出功率的概率分布及其對效率帶來的影響
§9-4-9 異相放大器中的功率回收
附錄 9A
9A.1 混合型功率合成器輸出的資用功率
9A.2 任意二極管模型的回收效率和電壓駐波比
第十章 通信系統(tǒng)中的功率放大器
§10-1 Kahn包絡(luò)分離和恢復(fù)技術(shù)
§10-2 包絡(luò)跟蹤
§10-3 異相功率放大器
§10-4 Doherty功率放大器方案
§10-5 開關(guān)模和雙途徑功率放大器
§10-6 前饋線性化技術(shù)
§10-7 預(yù)失真線性化(技術(shù))
§10-8 手持機(jī)應(yīng)用的單片CMOS和HBT功率放大器