RTDK 射频功率放大器(第2版) 9787302425946 清华大学出版社 pdf epub mobi txt 电子书 下载 在线阅读 2026

基本信息

书名：射频功率放大器(第2版)

定价：99.00元

作者：(美)Marian K. Kazimierczuk 孙玲 程加力

出版社：清华大学出版社

出版日期：2016-05-01

ISBN：9787302425946

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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射频功率放大器是各种无线发射机的关键单元电路，在无线通信、导航、卫星通讯、雷达、电子对抗设备等系统中有着广泛的应用。无线通信市场的快速发展一方面不断推动着射频功率放大器向高集成度、低功耗及价格低廉的方向发展；另一方面不断对射频功率放大器的线性度、效率及输出功率等性能指标提高越来越高的要求。因此，射频功率放大器已然成为无线发射机设计中*挑战的单元之一。《射频功率放大器（第2版）》在*版的基础上，经过修订和部分内容的更新和扩展而成，主要介绍各种用于无线通信和其他射频应用领域的射频功率放大器： 介绍射频功率放大器设计、效率提高和线性化技术的基础知识。 给出了A类、B类、C类、D类、E类、DE类以及F类射频功率放大器的分析和设计流程，包括阻抗转换。 探讨了预失真、前馈和负反馈等多种线性化技术；讨论了动态供电、包络消除和恢复、包络跟踪、Doherty放大器和异相等提高效率的方法。 此外，还介绍了单片集成电感和射频LC振荡器。它可以作为电子工程专业的研究生和高年级本科生的入门教材，也可以作为射频功率电子领域应用工程师的参考书。

内容提要

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《射频功率放大器（第2版）》在版的基础上，经过修订和部分内容的更新和扩展而成，主要介绍各种用于无线通信和其他射频应用领域的射频功率放大器：ü 介绍射频功率放大器设计、效率提高和线性化技术的基础知识。ü 给出了A类、B类、C类、D类、E类、DE类以及F类射频功率放大器的分析和设计流程，包括阻抗转换。ü 探讨了预失真、前馈和负反馈等多种线性化技术；讨论了动态供电、包络消除和恢复、包络跟踪、Doherty放大器和异相等提高效率的方法。ü 此外，还介绍了单片集成电感和射频LC振荡器。它可以作为电子工程专业的研究生和高年级本科生的入门教材，也可以作为射频功率电子领域应用工程师的参考书。

目录

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目录

译者序1

前言3

作者简介5

符号列表7

缩略语列表11

章绪论

1.1射频发射机

1.2便携式电子产品的电池

1.3射频功率放大器原理框图

1.4射频功率放大器的分类

1.5射频功率放大器的信号波形

1.6射频功率放大器的参数

1.6.1射频功率放大器的漏极效率

1.6.2发射机平均效率的统计特性

1.6.3栅极驱动功率

1.6.4功率附加效率

1.6.5输出功率能力

1.7发射机的噪声

1.8功率放大器效率为100%的条件

1.9功率放大器100%效率时输出功率非零的条件

1.10E类ZVS放大器的输出功率

1.11E类ZCS放大器

1.12天线

1.13电磁波的传播

1.14频谱

1.15双工器

1.16多址技术

1.17发射机的非线性失真

1.18载波信号的谐波

1.19互调失真

1.20AM/AM压缩和AM/PM转换

1.21功率放大器的动态范围

1.22模拟调制

1.22.1幅度调制

1.22.2相位调制

1.22.3频率调制

1.23数字调制

1.23.1幅移键控

1.23.2相移键控

1.23.3频移键控

1.24雷达

1.25射频识别

1.26本章小结

1.27复习思考题

1.28习题

参考文献

第2章A类RF功率放大器

2.1引言

2.2功率MOSFET器件的特性

2.2.1MOSFET器件漏极电流的平方律

2.2.2沟道长度调制

2.2.3MOSFET的低中频小信号模型

2.2.4MOSFET高频小信号模型

2.2.5单位增益频率

2.3短沟道效应

2.3.1电场对电荷载流子迁移率的影响

2.3.2欧姆区

2.3.3沟道夹断区

2.3.4宽禁带半导体器件

2.4A类射频功率放大电路

2.5A类射频放大器中的信号波形

2.5.1假设

2.5.2电流和电压波形

2.5.3输出功率波形

2.5.4晶体管功率损耗波形

2.6A类射频功率放大器的能量参数

2.6.1A类射频功率放大器的漏极效率

2.6.2A类射频功率放大器的统计特性

2.6.3小漏极�苍醇�电压非零时的漏极效率

2.6.4A类射频功率放大器的输出功率能力

2.6.5栅极驱动功率

2.7并联谐振电路

2.7.1并联谐振电路的品质因数

2.7.2并联谐振电路的阻抗

2.7.3并联谐振电路的带宽

2.8并联谐振电路的功率损耗和效率

2.9带有电流镜的A类射频功率放大器

2.10阻抗匹配电路

2.11A类射频线性放大器

2.11.1用于变包络信号的放大器

2.11.2用于恒包络信号的放大器

2.12本章小结

2.13复习思考题

2.14习题

参考文献

第3章AB类、B类和C类射频功率放大器

3.1引言

3.2B类射频功率放大器

3.2.1B类射频功率放大器的电路

3.2.2B类射频功率放大器的波形

3.2.3B类射频功率放大器的功率关系

3.2.4B类射频功率放大器的漏极效率

3.2.5B类射频功率放大器漏极效率的统计特征

3.2.6A类与B类射频功率放大器的漏极效率比较

3.2.7B类射频功率放大器的输出功率能力

3.3AB类和C类射频功率放大器

3.3.1AB类和C类射频功率放大器的波形

3.3.2AB类、B类和C类射频功率放大器的功率

3.3.3AB类、B类和C类射频功率放大器的漏极效率

3.3.4AB类、B类和C类射频功率放大器的输出功率能力

3.3.5θ=120°时AB类射频功率放大器的参数

3.3.6θ=60°时C类射频功率放大器的参数

3.3.7θ=45°时C类射频功率放大器的参数

3.4推挽互补式AB类、B类和C类射频功率放大器

3.4.1推挽式射频功率放大电路

3.4.2推挽式放大器消除偶次谐波

3.4.3推挽式射频功率放大器的功率关系

3.4.4器件应力

3.5变压器耦合的B类推挽式射频功率放大器

3.5.1波形

3.5.2功率关系

3.5.3器件应力

3.6变包络信号的AB类、B类和C类射频功率放大器

3.7本章小结

3.8复习思考题

3.9习题

参考文献

第4章D类射频功率放大器

4.1引言

4.2MOSFET开关

4.3D类射频功率放大器的电路描述

4.4D类射频功率放大器的工作原理

4.4.1工作频率小于谐振频率

4.4.2工作频率大于谐振频率

4.5电压型D类射频功率放大器的拓扑结构

4.6分析

4.6.1假设

4.6.2谐振电路的输入

作者介绍

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文摘

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序言

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射频功率放大器设计与应用：原理、实践与前沿探索 一、 引言：无线通信的基石与挑战 在信息爆炸的时代，无线通信技术正以前所未有的速度渗透到我们生活的方方面面。从智能手机的日常通讯，到物联网设备的广泛连接，再到5G、6G等下一代通信技术的演进，其核心驱动力之一便是强大的射频（RF）信号发射能力。而射频功率放大器（RF Power Amplifier, PA）正是实现这一能力的“心脏”。它们负责将微弱的射频信号放大到足以远距离传输的功率水平，是构成无线通信系统必不可少的关键组件。 然而，功率放大器的设计与实现并非易事，它们面临着诸多严峻的挑战。首先，随着通信速率的提升和数据量的增加，信号的调制方式日益复杂，常常表现为非恒定包络特性，这对功率放大器的线性度提出了极高的要求。非线性会引入谐波失真和互调失真，严重影响通信质量，甚至导致邻道干扰。其次，追求更高的传输效率以降低功耗和发热，尤其在移动设备和基站等领域，已成为行业的重要发展方向。高效率的功率放大器可以显著延长电池续航时间，减少散热系统的复杂性和成本。再者，工作频段的不断拓宽，从早期的GSM、CDMA到如今的Wi-Fi、蓝牙，再到面向未来的毫米波和太赫兹频段，都对功率放大器的带宽、增益稳定性以及在高频下的性能表现提出了新的考验。最后，成本、体积和可靠性也是商业化应用中不可忽视的重要因素。 本书旨在系统地梳理射频功率放大器的设计原理，深入剖析其关键技术，并结合实际应用场景，探讨当前以及未来的发展趋势，为广大射频工程师、通信研究者以及相关领域的学生提供一个全面、深入的学习和参考平台。我们将从基础理论出发，逐步深入到复杂的模型、先进的设计技巧和最新的技术进展，力求全面覆盖功率放大器设计的各个环节。 二、 射频功率放大器基础理论与模型 要深入理解功率放大器的设计，首先必须掌握其基本工作原理和相关的理论模型。功率放大器本质上是一个非线性器件，其输出功率与输入功率之间并非简单的线性关系。 2.1 关键性能指标： 功率增益 (Power Gain): 衡量放大器放大信号能力的指标，定义为输出功率与输入功率之比，通常以分贝（dB）表示。 效率 (Efficiency): 评价功率放大器将直流供电转化为射频输出功率的能力，是衡量其能耗的重要指标。主要包括漏极效率（或集电极效率）、功率添加效率（PAE）和能量效率。 线性度 (Linearity): 指放大器输出信号与输入信号之间的失真程度。关键指标包括输出功率的1dB压缩点（P1dB）、三阶互调失真截点（IP3）以及ACPR（邻道功率比）。 输出功率 (Output Power): 放大器能够提供的最大射频功率，通常关注饱和输出功率（Psat）和线性输出功率。 带宽 (Bandwidth): 放大器能够有效工作的频率范围。 阻抗匹配 (Impedance Matching): 为最大化功率传输和最小化反射，需要将放大器的输入输出阻抗与信号源和负载阻抗进行匹配。 2.2 晶体管模型： 功率放大器的核心是使用半导体器件，如双极晶体管（BJT）、金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）或异质结双极晶体管（HBT）、高电子迁移率晶体管（HEMT）等。理解这些器件的直流和射频特性至关重要。 直流特性: 描述了器件在不同偏置电压和电流下的稳态行为，包括漏极/集电极电流、跨导等。 小信号模型: 在小信号输入下，器件可以近似为线性器件，通过等效电路模型（如混合-π模型）来描述其增益、噪声等特性。 大信号模型: 当输入信号幅度较大时，器件的非线性效应显著，需要使用更复杂的非线性模型来精确描述其行为，例如基于泰勒级数展开、Volterra级数展开或基于物理的器件模型。这些模型能够捕捉谐波失真、互调失真以及包络跟踪效应等。 2.3 功率放大器分类： 根据其工作方式（即输入信号与器件导通角的关系），功率放大器可以分为以下几种主要类​​型，每种类型在效率和线性度之间有着不同的权衡： A类放大器: 导通角为360度，线性度最好，但效率最低，一般用于对线性度要求极高但功率要求不高的场合，如驱动级。 B类放大器: 导通角为180度，效率比A类高，但存在交越失真。 AB类放大器: 导通角介于180度和360度之间，是A类和B类之间的折衷，在许多应用中得到广泛应用。 C类放大器: 导通角小于180度，效率最高，但线性度最差，常用于恒定包络信号的放大，如FM发射机。 D类、E类、F类等开关模式放大器: 利用器件的开关特性工作，理论效率可以接近100%。这些放大器通过巧妙的电路设计，将输入信号转化为方波，然后利用滤波器恢复出放大后的正弦波，非常适合高效率的需求，但也对输出滤波和信号整形提出了较高要求。 三、 射频功率放大器的设计方法与电路拓扑 理解了基础理论后，我们便可以开始探讨具体的功率放大器设计方法和常用的电路拓扑。 3.1 偏置设计 (Biasing): 正确的偏置是功率放大器工作的基石。不同的偏置点会直接影响器件的工作状态、效率和线性度。 固定偏置: 通过固定电压源或电阻网络提供偏置。 自偏置: 利用器件自身的漏极/集电极电流在源极/发射极电阻上产生的电压降来实现偏置，简化了电路。 动态偏置: 根据输入信号的幅度实时调整偏置点，以在效率和线性度之间取得更好的平衡，例如包络跟踪（ET）和包络再生（ER）。 3.2 阻抗匹配网络设计 (Impedance Matching Network Design): 为了实现最佳的功率传输和稳定性，放大器的输入和输出端口需要与信号源和负载进行阻抗匹配。 史密斯圆图 (Smith Chart): 最常用的阻抗匹配设计工具，通过图形化的方式直观地展示阻抗点，并帮助设计出匹配网络。 匹配网络元件: 常用的匹配网络元件包括电感（L）、电容（C）和传输线。 Lumped-element Matching: 使用集总参数的L、C元件构成匹配网络，适用于较低频率。 Distributed-element Matching: 使用传输线段作为匹配元件，适用于较高频率，具有更好的高频性能和更低的损耗。 宽带匹配: 针对多频段或宽带应用，需要设计能够在较宽频率范围内保持良好匹配的匹配网络，这通常更为复杂。 3.3 线性化技术 (Linearization Techniques): 为了应对复杂调制信号的非线性问题，各种线性化技术被广泛应用于功率放大器设计。 预失真 (Pre-distortion): 在输入信号被放大器非线性失真之前，对其进行相反的失真处理，从而抵消放大器的非线性效应。 后失真 (Post-distortion): 在放大器输出端添加一个失真补偿电路。 反馈技术 (Feedback): 将放大器的输出信号的一部分反馈到输入端，以降低失真和噪声，提高稳定性。 包络跟踪 (Envelope Tracking, ET): 实时监测输入信号的包络，并动态调整功率放大器的供电电压，使其始终工作在其高效率区域，从而提高效率并改善线性度。 包络再生 (Envelope Restored, ER): 另一种提高效率的动态偏置技术。 3.4 常用电路拓扑: 单端放大器 (Single-ended Amplifier): 最基本的放大器结构。 推挽放大器 (Push-Pull Amplifier): 利用两个器件互补工作，可以消除偶次谐波，提高输出功率和效率。 平衡放大器 (Balanced Amplifier): 利用两个相同的放大器和90度混合器（或3dB耦合器），实现输入输出阻抗匹配，并提高宽带性能和回波损耗。 Doherty 放大器: 一种高效率的宽带功率放大器，通过一个主功率放大器和一个辅助功率放大器协同工作，在不同信号包络下切换，实现高效率和良好的线性度。 Cartesian 反馈放大器: 利用输入信号的幅度信息来控制放大器的偏置，实现线性度提升。 Cartesian 预失真放大器: 同样利用输入信号的幅度信息，在输入端进行预失真。 四、 功率放大器的建模、仿真与版图设计 实际的功率放大器设计是一个迭代的过程，需要精确的模型、强大的仿真工具和细致的版图设计。 4.1 器件模型: PSpice, ADS, Cadence等仿真软件: 提供了丰富的器件模型库，包括SPICE模型、IBIS模型等，用于对器件在大信号和小信号下的行为进行精确仿真。 S参数模型: 用于描述线性器件在小信号下的行为，常用于初步评估增益、阻抗和稳定性。 非线性模型: 如Abramovitz模型、Curtice-Ettenberg模型、Mueller模型等，用于模拟功率放大器的非线性特性。 基于物理的模型: 更为复杂的模型，能够从器件的物理结构和材料特性出发，进行更精确的仿真。 4.2 仿真工具与流程: 小信号仿真: 评估放大器的增益、带宽、噪声和稳定性。 大信号仿真: 评估放大器的输出功率、效率、P1dB、IP3、ACPR等非线性指标。 瞬态仿真: 模拟放大器在特定输入信号下的动态响应。 电磁场仿真 (EM Simulation): 用于分析高频电路中的寄生效应、互耦以及天线等无源元件的性能。 版图后仿真 (Post-layout Simulation): 在完成电路版图设计后，提取寄生参数，并进行仿真验证，以确保实际性能与仿真结果一致。 4.3 版图设计注意事项: 寄生效应: 在高频下，导线、过孔、焊盘等都会产生寄生电感和电容，必须在版图设计中加以考虑。 对称性: 对于平衡放大器等结构，保持电路的对称性至关重要。 热管理: 功率放大器工作时会产生大量热量，必须设计合理的散热结构，例如使用散热片、增加金属层导热等，以保证器件的可靠性和性能。 去耦和滤波: 需要添加足够的去耦电容来抑制电源噪声，并设计适当的滤波电路来抑制不需要的谐波和杂散信号。 地连接: 良好的地连接对于保证高频信号的完整性至关重要。 五、 功率放大器的应用领域与前沿技术 射频功率放大器是现代无线通信系统的核心，其应用遍及各个领域。 5.1 主要应用领域: 蜂窝通信: 智能手机、基站中的功率放大器，负责信号的发射。 无线局域网 (WLAN): Wi-Fi路由器、终端设备中的功率放大器。 卫星通信: 卫星通信终端和地面站中的功率放大器。 雷达系统: 各种军用和民用雷达中的功率放大器。 广播电视: FM/AM广播发射机中的功率放大器。 物联网 (IoT): 各种低功耗、长距离通信模块中的功率放大器。 5.2 前沿技术与发展趋势: GaN/GaAs等宽禁带半导体材料: 氮化镓（GaN）和砷化镓（GaAs）等材料因其高击穿电压、高电子迁移率和优异的热稳定性，已成为下一代功率放大器的理想选择，尤其是在高频、高功率应用中。 先进的线性化技术: 随着5G、6G通信标准的不断演进，对功率放大器的线性度和效率提出了更严苛的要求，ET、ER、Cartesian反馈、数字预失真（DPD）等技术将得到更广泛的应用和发展。 软件定义功率放大器 (SDPA): 通过软件配置和调整，实现功率放大器功能的灵活性和可重构性，以适应不同的通信标准和工作模式。 集成化与小型化: 将功率放大器与其他RF前端器件（如滤波器、开关）集成到单个芯片上，以减小尺寸、降低功耗和成本。 面向太赫兹（THz）频率的应用: 随着THz通信和成像技术的发展，超高频功率放大器的设计将成为新的研究热点。 人工智能（AI）在PA设计中的应用: 利用AI和机器学习优化PA的偏置、线性化以及预测性维护。 六、 总结 射频功率放大器作为无线通信系统的关键环节，其设计与优化是实现高效、可靠通信的基石。从基础的器件特性理解，到复杂的电路拓扑选择，再到先进的线性化和效率提升技术，每一个环节都充满了挑战与机遇。本书力求为读者提供一个系统、深入的学习框架，帮助您理解功率放大器的设计原理，掌握常用的设计工具和方法，并洞察行业的前沿发展趋势。通过理论与实践相结合，希望本书能够激发您在射频功率放大器领域的创新与探索，为推动无线通信技术的进步贡献力量。