淺談射頻放大器下的RF原理及其結(jié)構(gòu)

射頻放大器

射頻功率放大器（RF PA）是各種無線發(fā)射機的重要組成部分。在發(fā)射機的前級電路中，調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號功率很小，需要經(jīng)過一系列的放大一緩沖級、中間放大級、末級功率放大級，獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。

分類及用途

射頻功率放大器的工作頻率很高，但相對頻帶較窄，射頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。射頻功率放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，分為甲（A）、乙（B）、丙（C）三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的導(dǎo)通角為360°，適用于小信號低功率放大，乙類放大器電流的導(dǎo)通角等于180°，丙類放大器電流的導(dǎo)通角則小于180°。乙類和丙類都適用于大功率工作狀態(tài)，丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類，但丙類放大器的電流波形失真太大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。

技術(shù)參數(shù)

放大器的主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）頻率范圍：放大器的工作頻率范圍是選擇器件和電

路拓?fù)湓O(shè)計的前提。

（2）增益：是放大器的基本指標(biāo)。按照增益可以確定放

大器的級數(shù)和器件類型。G（db）=10log（Pout/Pin）=S21（dB）

（3）增益平坦度和回波損耗

VSWR《2.0orS11，S22《-10dB

（4） 噪聲系數(shù)：放大器的噪聲系數(shù)是輸入信號的信噪比 與輸出信號的信噪比的比值，表示信號經(jīng)過放大器后信號質(zhì)量的變壞程度。NF（dB）=10log［（Si/Ni）/（So/No）］

射頻放大器的功率參數(shù)

現(xiàn)代的無線通信中，射頻設(shè)備的使用相當(dāng)普及，而射頻放大器在設(shè)備中起粉至關(guān)重要的作用，放大器中有關(guān)功率參數(shù)的測t也引起相當(dāng)?shù)闹匾?，而在實際的研發(fā)生產(chǎn)中對功率參數(shù)的理解和應(yīng)用存在一定的誤解，下面就一個放大器的特性來說明相關(guān)功率參數(shù)的含義和應(yīng)用 。

在描述一個放大器時，基本的參數(shù)有增益和最大輸出電平（功率）。為對增益有較為準(zhǔn)確的描述，引人線性特性的參數(shù)來衡t，通常用ldB壓縮點對應(yīng)輸人功率和線性垠小輸人電平來表示，兩者之差就是放大器的輸人動態(tài)范圍。對于ldB壓縮點，在GSM直放站標(biāo)準(zhǔn)YD汀952一1998中是這樣描述的：ldB壓縮點輸出功率是指放大器在增益下降ldB時，對應(yīng)此時的輸人功率，用圖示方法表示是指當(dāng)時的實際輸出功率比理想的線形放大器對應(yīng)的輸出功率小ldB 。

為進(jìn)一步描述線性度。還有一個指標(biāo)就是增益步長誤差，表示的是當(dāng)輸人變化單位信號強度時輸出是否也變化相同的大小 。

一個實際的放大器，由于物理特性和噪聲的影響，當(dāng)輸人電平太小時不能保持有線性狀態(tài)。因此引人最小輸出電平的概念。通常認(rèn)為輸出比噪聲電平高3dB時對應(yīng)的輸人電平為最小輸人電平。放大器的輸出噪聲功率為：P=kTBGF 。

低噪聲放大器

低噪聲放大器（LNA）被用來將天線收到的微弱的無線蜂窩信號，放大到混頻器所需要的幅度。如果低噪聲放大器損壞，通常會造成手機接收信號差的故障。

低噪聲放大器通常又稱為前置射頻放大器，前置射頻放大器是移動通信接收機最常用的一種小信號放大器，由于此類放大器常用低噪聲器件來實現(xiàn)，故又稱為低噪聲放大器。

在第一級高頻放大電路設(shè)置低噪聲放大器可以改善接收機的總噪聲系數(shù)，同時高頻放大器可防止RXVCO信號從天線路徑輻射出去。如圖所示的是一般LNA的兩種形式（參見三極管部分）。

雙工濾波器的輸出信號被送人低噪聲放大器放大。Q1、Q2與周邊元件構(gòu)成一低噪聲放大器，這是一個帶負(fù)反饋的共發(fā)射極電路，又是一個寬帶放大器，它用以對微弱的射頻信號進(jìn)行放大并彌補射頻濾波器帶來的插入損耗。在上圖中，Q1的發(fā)射極旁路電容C3對該放大器的增益影響很大，它可減小R4對信號的負(fù)反饋影響。該電路中，Q1的直流工作點主要由R1和R2決定，屬固定分壓偏置。在上圖中，Q2的直流工作點由R6、R5決定，為集電極反饋偏置，同時R5也是負(fù)反饋元件，C5和R7的作用與圖中的C3、R4一樣。實際上，Q1、Q2電路是一個寬帶高頻小信號放大器。

對這一位置的高頻放大器中的三極管，要求其截止頻率高，放大倍數(shù)大，噪聲系數(shù)小。第一級信號很小，工作點通常設(shè)得比較低，同時加人電流負(fù)反饋，則可以減小噪聲。

前面我們講到的是一些分離元件的低噪聲放大電路。在實際工作中，還常會遇到低噪聲放大電路被集成在一塊芯片中的情況。

放大器中的噪聲是由放大器中的元器件（包括管子、電阻等），內(nèi)部載流子的不規(guī)則運動引起的。它主要是電路中電阻的熱噪聲和三極管（或場效應(yīng)管）內(nèi)部噪聲，這些噪聲實際上是雜亂的無規(guī)則的變化電壓或電流，故稱為起伏噪聲，起伏噪聲的頻率成分非常豐富，它的能量連續(xù)分布在很寬的頻率范圍內(nèi)。而放大器內(nèi)部噪聲主要有熱噪聲、散彈噪聲、分配噪聲和閃爍噪聲等。

混頻電路

混頻電路又叫混頻器（MIX）是利用半導(dǎo)體器件的非線性特性，將兩個或多個信號混合，取其差頻或和頻，得到所需要的頻率信號。在手機電路中，混頻器有兩個輸入信號（一個為輸入信號，另一個為本機振蕩），一個輸出信號（其輸出被稱為中頻IF）。在接收機電路中的混頻器是下變頻器，即混頻器輸出的信號頻率比輸入信號頻率低；在發(fā)射機電路中的混頻器通常用于發(fā)射上變頻，它將發(fā)射中頻信號與UHFVCO（或RXVCO）信號進(jìn)行混頻，得到最終發(fā)射信號。混頻器是超外差接收機的核心電路，如接收機的混頻器出現(xiàn)故障，則無接收中頻輸出，造成手機無接收信號、不能上網(wǎng)等故障。

1．晶體管混頻器

晶體管混頻器有多種電路形式。其中雙極型晶體管混頻器可在共發(fā)射極電路基礎(chǔ)上構(gòu)成，信號和本振信號由基極輸入，或信號由基極輸人、本振信號由發(fā)射極輸人。兩信號由基極輸人的電路輸入阻抗高，對本振而言，負(fù)載輕。

2．二極管混頻器

二極管混頻器盡管存在損耗，但其噪聲及雜波輸出比晶體管混頻器要少。諾基亞的GSM手機多采用這種混頻器

3．集成混頻器

在早期的手機中，有的混頻器單獨使用一個集成組件，如今手機中的混頻器多被集成在一個復(fù)合的射頻處理或中頻處理模塊中

要尋找混頻電路就需掌握手機框架結(jié)構(gòu)， 在手機接收機電路中，如看到射頻信號與VCO信號輸人到同一個電路，則這個電路應(yīng)是混頻電路（這就要求能辨別RXVCO電路）。同時掌握MIX等英文縮寫，以便于識別電路

中頻放大器

接收機的中頻放大器主要是將混頻器輸出的信號進(jìn)行大幅度提升，以滿足解調(diào)電路的需要。接收機的主要增益也來自中頻放大器，中頻放大器損壞常會造成手機接收差的故障。

移動通信接收機均要使用中頻放大器。中頻放大器最主要的作用是：

獲取高增益：與射頻放大部分相比，由于中頻頻率固定，并且頻率較低，可以很容易地得到較高的增益，因而可以為下一級提供足夠大的輸人。

提高選擇性：接收機的鄰近頻率選擇性一般由中頻放大器的通頻帶寬度決定。

對于中頻放大器，不僅需要得到高的增益、好的選擇性，還要有足夠?qū)挼耐l帶和良好的頻率響應(yīng)、大的動態(tài)范圍等。而接收機的鄰近信道選擇性一般由中頻放大器的通頻帶寬度決定，由于中頻信號為單一的固定頻率，其通頻帶可最大限度地做得很小，以提高相鄰信道選擇性。在實際工程上，一般采用多級放大器，并使每級實現(xiàn)某一技術(shù)要求，就電路形式而言，第一級中頻放大器多采用共發(fā)射極電路，最后一級中頻放大器多采用射極輸出電路。不論接收機采用一次或二次變頻技術(shù)，中頻放大器總是位居下變頻（即混頻）之后。

為避免鏡頻干擾，提高鏡頻選擇性，接收機通常采用降低第一本機振蕩頻率、提高第一中頻頻率和多次變頻的方法，使信號頻譜逐漸由射頻搬移到較低頻率上。

分離元件的中頻放大器電路形式與低噪聲放大器的電路形式很相似，也是一個共發(fā)射極電路，只是它們工作的頻點不一樣。

摩托羅拉手機中通常使用分離元件的中頻放大器，其他手機的中頻放大器通常都是在一個集成電路中。下圖是一手機的中頻放大器：

中頻放大器的電路形式與低噪聲放大器的電路形式差別不大，但它們工作的頻段不同。低噪聲放大器是一個寬帶放大器，而中頻放大器是一個窄帶放大器。中頻放大電路的信號通路和偏壓、電源的查找與低噪聲放大器的方法一樣，讀者可自行分析。

在集成的中頻放大器中查找信號通道等相對困難些，它不是一個單一的電路，通常存在于一個復(fù)合電路中，盡管如此，它總是有規(guī)律可尋的。從手機的電路結(jié)構(gòu)知識可以知道：中頻放大器總是置于混頻后，所以只要掌握混頻電路，則較容易找到中頻放大器。

解調(diào)電路

接收機的解調(diào)電路是把包含在接收中頻信號中的語音信息或各種信令信息還原出來，得到中心頻率為67.707kHz的RXI/Q信號。在接收機電路中，解調(diào)電路輸出的RXI/Q信號是檢修接收機電路的一個關(guān)鍵信號。

在移動通信中，常用的解調(diào)技術(shù)有鎖相解凋器、正交鑒頻解調(diào)器等

PLL（鎖相環(huán)）可以跟蹤輸人信號，它可以用作解調(diào)鎖相解調(diào)器的方框圖。手機采用的就是鎖相解調(diào)器，有的鎖相解調(diào)器中鑒相器的參考頻率由216Mz的振蕩器提供，有的鎖相解調(diào)器的參考信號則來自430MHz的振蕩器。鑒相器通過對輸入的兩個信號的相位比較，輸出一跟蹤調(diào)制信號的低頻信號，通過低通濾波器濾去高頻噪聲，即得到解調(diào)輸出

下圖為正交鑒頻器的原理框圖。在正交鑒頻器中，相移網(wǎng)絡(luò)將頻率的變化變換為相位的變化，乘法器將相位的變化變換為電壓的變化。將調(diào)頻信號與其移相信號相乘，通過低通濾波器將乘法器的輸出信號中的高頻成分濾出，就得到了解調(diào)信號。通常，在現(xiàn)代的通信設(shè)備的電路中，除正交線圈外，鑒頻器的其他電路均被集成在芯片內(nèi)。

需注意的是，這里所說的解調(diào)，是指接收射頻電路中將包含信息的射頻或中頻信號還原出67.707kHz的基帶信號的解調(diào)（針對GSM手機而言）。在邏輯音頻電路中還有一個解調(diào)——GMSK的解調(diào)，它是將67.707kHz的信號還原出數(shù)碼信號。

振蕩電路

在電子設(shè)備中，振蕩器的用途極為廣泛。振蕩電路的種類很多，按其工作原理，可分為反饋型振蕩電路、負(fù)阻型振蕩電路、多諧振蕩電路（張弛振蕩）；按使用元件，又分為IC振蕩器、RC振蕩器、晶體振蕩器等。

按需要，振蕩器可產(chǎn)生正弦波、脈沖波等。振蕩器以放大器為基礎(chǔ)，引入正反饋即可得到振蕩電路如圖所示。產(chǎn)生振蕩的條件有兩個：正反饋和環(huán)路增益為1。

LC蕩器

把只由L和C構(gòu)成的反饋電路稱為LC振蕩器。LC振蕩器有調(diào)諧型和三元件型。它們包括集電極調(diào)諧型振蕩器、基極調(diào)諧型振蕩器、發(fā)射極調(diào)諧型振蕩器；三點式的有，電容三點式振蕩器和電感三點式振蕩器。

RC振蕩器

把由R和C構(gòu)成的反饋電路稱為RC振蕩器，RC振蕩器有電橋式和移相式。移相式又分為HP型和LP。HP是High Pass的縮寫，即反饋電路由高通濾波器構(gòu)成。LP是Low Pass的縮寫即指反饋電路由低通濾波器構(gòu)成。

圖為RC移相振蕩電路，通常用于頻率需求較低的情況下。無繩電話中的導(dǎo)頻的產(chǎn)生、呼叫信號的產(chǎn)生多采用這種電路。可調(diào)電阻R5用于調(diào)較振蕩頻率。右圖為維恩電橋振蕩器

晶體振蕩器

在移動通信中，移動臺需要能夠根據(jù)實時分配到的話音信道改變自己的工作頻率，這就要求必須有足夠精度、穩(wěn)定性好的頻率合成器。而且隨著通信技術(shù)的發(fā)展，對頻率的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度的要求越來越高。在移動通信中，為了減少移動臺之間或與基站間的相互干擾，常常要求頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-5。而RC和LC都難達(dá)到這個精度。

只有高精度、高穩(wěn)定性的振蕩才可以減小因頻率偏移而造成的鄰近信道干擾。

石英晶片具有壓電效應(yīng)，能做成諧振器，且晶片本身的固有機械振動頻率只與晶片的幾何尺寸有關(guān)，其振動頻率可以做得非常精確穩(wěn)定。利用石英晶體振蕩器可把振蕩頻率穩(wěn)定度提高幾個數(shù)量級。

在石英晶片的兩面鍍銀，引出電極，然后封裝在由金屬或膠木、玻璃等材料制成的外殼里就得到晶體振蕩器。石英晶體可以用人工合成，也可將天然晶體切割成晶片。

晶體用于振蕩電路的形式較多。諾基亞2110的DSP（數(shù)字語音處理器）時鐘振蕩器為其中的一種，它構(gòu)成射極跟隨器，也被稱為薩巴羅夫電路。

雖然晶體振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定，但由于某些客觀因素的影響，使頻率穩(wěn)定度變差。晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度主要受三種因素的影響：

1、是負(fù)載效應(yīng)。減小負(fù)載效應(yīng)一般是加隔離器，如射極跟隨器等。2110的DSP時鐘振蕩器為射極輸出，其帶負(fù)載的能力就比較強，但為提高穩(wěn)定度，其后還加了一級射極輸出器，并采用變壓器耦合加以隔離。下圖就是一個射極輸出的晶體振蕩電路。

2、是推頻效應(yīng)。所謂推頻效應(yīng)，即由于供電系統(tǒng)條件發(fā)生改變，致使振蕩電壓源和電流發(fā)生改變、振蕩器件的工作參數(shù)發(fā)生改變，最終使振蕩器出現(xiàn)頻率漂移。所以對其電壓源要求較高，在移動電話內(nèi)一般均使用專門的、比較精確的電源。如摩托羅拉168手機的VCO電源就通過了兩次穩(wěn)壓。在諾基亞232和摩托羅拉168手機的發(fā)射接收VCO電路中，為了使振蕩管具有較穩(wěn)定的偏置，除了采用高精度的穩(wěn)壓電源外，還采用了固定分壓偏置的共發(fā)射極電路。

3、是溫度效應(yīng)。晶體振蕩器受溫度的影響比較大，一般采用溫度補償或?qū)⒄袷幤鞣湃牒銣丨h(huán)境中來解決，溫度補償法包括模擬溫度補償、數(shù)字溫度補償及模擬—數(shù)字溫度補償法二大類。溫度補償電路有電容補償電路及熱敏網(wǎng)絡(luò)補償電路；電容補償方法簡單，但補償范圍較窄，一般在0～50℃之間，補償精度一般可達(dá)到±5×106。而熱敏網(wǎng)絡(luò)補償電路則用得較多，其補償范圍寬，在-40～70℃之間，補償精度可達(dá)到±0.2×106。其原理圖如圖1-34所示。利用熱敏網(wǎng)絡(luò)給變?nèi)荻O管提供一個隨晶體工作環(huán)境變化的反向偏壓，通過變?nèi)荻O管電容的變化來補償晶體振蕩器因溫度而導(dǎo)致的頻率漂移。

在實際的移動電話電路中，目前多使用溫度補償壓控振蕩器組件（VCTXO）。如諾基亞232的14.85MHz振蕩器和摩托羅拉168的16.8MHz振蕩器，它們被封裝在一個金屬外殼里，與外界環(huán)境隔開。前者為接收發(fā)射VCO及PLL鎖相環(huán)電路提供基準(zhǔn)頻率；后者既為射頻電路提供基準(zhǔn)頻率，又為邏輯電路提供時鐘信號。