射频与微波固体功率放大器：设计挑战与效率进阶

王浩然

在现代通信与电子系统中，射频与微波固体功率放大器凭借独特优势，占据着不可或缺的地位。它横跨从几十万赫兹到毫米波段的广阔频率范围，运用晶体管这类固体器件，工作于大信号、极限状态。复杂的频段特性，以及功率放大器本身的工作特性，给其设计与应用带来了诸多挑战，也推动着它持续演进。

射频与微波固体功率放大器，涉及射频与微波、固体以及功率放大器三个关键概念。射频与微波，覆盖了从几十万赫兹到微波波段毫米频段的广阔频谱。在这一频段，电路形式丰富多样，既有集中参数电路，也有分布参数电路，更多时候是二者的巧妙组合。由于频段跨度大，电路结构和元器件的寄生电容、引线电感，以及电磁互耦效应极为显著，它们对电路性能的影响不容小觑，甚至在某些场景下，成为决定电路成败的关键因素。“固体” 限定了该类放大器采用晶体管这类固体器件。当下，备受瞩目的氮化镓（GaN）晶体管，凭借出色的高频、高功率性能，在众多应用场景中崭露头角。

功率放大器工作于大信号、极限状态。当晶体管在大信号驱动下，会不可避免地进入截止区与饱和区，呈现出非线性特性。为深入剖体管功率放大器的性能，一种方法是构建精确的大信号晶体管模型，从而实现对其进行定量分析。另一种途径，则是基于实际情况做出合理的近似假设，形成简化的工程设计方法。之后，将设计结果与计算机仿真数据、实际电路测量结果进行对比分析，不仅能总结出指导电路设计的有效结论，还能验证近似假设的合理性。

由于功率放大器工作在极限状态，这就存在三个问题：

选型：其一是正确的根据供电电压、输出功率、工作类别等选择晶体管的种类和型号。

散热：其二是晶体管的效率是有限的，总会有一部分直流功率转变成晶体管的热能。如何才能保证晶体管良好的散热，让管芯工作在安全温度下。

保护电路：其三是要设计保护电路。当晶体管遇到意外情况时（例如，负载严重失配引起晶体管外封装过热） ，自动切断电源，以免晶体管受损。

现代固体功率晶体管都是由很多小的功率单元并联而成的，双极晶体管在并联时，发射极还串联平衡电阻，这就给射频和微波功率放大器的设计带来了几个问题：

1、连线和结点的分布式参数影响：连接各单元的连线和连线总的结点连到外封装的引线造成的引线电感及对地分布电容给放大器设计带来了问题。设计时必须考虑它们带来的影响。

2、低输入和输出阻抗造成宽带匹配困难：并联后形成的大功率晶体管具有很低的输入和输出阻抗，特别是功率达几十、上百瓦的功率放大器，其输入阻抗的实部仅为零点几欧姆。这样低的输入和输出阻抗给匹配，特别是宽带匹配带来了一定的困难。因此，功率放大器的设计中有很大一部分工作是匹配网络的设计。

3、传统功率放大器根据偏置状态分为A类、AB类、B类和C类。主要是导通角不同，对应效率不同，A类导通角最大，线性最好，但效率最低，C类导通角最小，线性差，单效率高。

为了进一步提高功率放大器的效率，又出现了开关模功率放大器，即D类放大器。随后又发展出E类、F类和逆F类功率放大器，这种功率放大器的效率可达到90%。众多的基站、手持机要求提高功率放大器的效率，而且是输入信号大动态范围下的平均效率。新的通信体制对功率放大器的线性度也提出了极高的要求。这些都促进了功率放大器的发展及技术进步。

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