1.2 射频与微波固体功率放大器的特点

射频与微波固体功率放大器这句话中包含三个术语：一是射频与微波，这意味跨越的频率范围从几十万赫兹到微波波段的毫米波段。在这样的一个频段内的电路形式是从集中参数到分布参数或它们的组合，什么电路形式几乎都可遇到。这个频段中与电路结构形式、元器件种类有关的寄生电容、引线电感、电磁互耦的影响是不可忽略的，有时甚至起到了至关重要的作用。二是固体，这实际上局限本书选用的器件是晶体管-固体器件。功率放大器选用的晶体管有双极晶体管（BJT）、砷化镓金属半导体场效应管（GaAsMESFET）、结型场效应管（FET）、横向扩散场效应管（LDMOS），现在又出现了新颖的功率晶体管——氮化镓晶体管（GaN）。三是功率放大器。众所周知，功率放大器是工作在大信号状态、极限状态的。晶体管在大信号驱动下会进入截止区和饱和区，即进入非线性状态。要建立合适的大信号晶体管模型才能深入的对晶体管功率放大器进行定量的分析。另一种分析方法是进行一些切合实际的近似假设，得到一些简化的工程设计方法。然后，把这些设计结果与通过计算机仿真得到的结果，以及对实际建立的电路进行测量得到的结果，三者进行比较。由此，可得到一系列指导电路设计的结论，也证明了近似假设的正确性。

由于功率放大器工作在极限状态，这就存在三个问题：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。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。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。首先，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。其次，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。

传统功率放大器根据偏置状态分为A类、AB类、B类和C类。这些工作类别各有特点，A类一般被称为线性放大器类别，它具有大的偏置电流，输入驱动信号后，晶体管的工作区域始终是线性区，理论上是不应该产生波形失真的或失真很小。但是，由于大的静态偏置电流，使有无信号时都有一个恒定的晶体管损耗（管耗）。因此，A类放大器的功率转换效率低，但是线性好。B类、C类的共同特点就是效率高，但是线性差。AB类则介于这两类之间，即具有较高的效率和较好的线性度，但是具体的指标还与真正的工作状态（以后用导通角表示）有关。

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%。

虽然功率放大器广泛用于雷达、通信、导航、遥测遥控、电视、广播等领域，但是目前用量最大的是移动通信领域，无论是基站还是手持机中都要使用功率放大器。近几年来移动通信飞速发展，要求手机不但能接收和发射数字化的语言信号，还要接收高数据率的其他信号，完成图像接收、GPS信号、Internet网络数据交换等功能，并且要在高速移动下接收高速数据流。如此种种都对功率放大器的性能指标提出了苛刻的要求。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。