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        2010年賽英新書預告

        作者:
        來源:
        2019/09/29 15:24
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          賽英公司法人代表、董事長張玉興教授耗時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出版社出版,敬請同行關注!

          前言

          信號與信息傳輸系統,不管這傳輸媒介是空氣、傳輸線、光纖還是波導,在傳輸的過程中信號都會有損耗。因此在信號的發送端頭需要把被發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,這就是說發送端需要幾瓦,幾十瓦,乃至幾百上千瓦的發射功率,因此,無論是通信、雷達、定位、導航、遙測遙控、空間技術、電視廣播等信號傳輸系統中都需要發射機。而發射機中的核心就是射頻和微波功率放大器?,F代移動通信中的基站發射機功率為幾十瓦,而手持機的功率為幾百毫瓦,雷達發射機的脈沖功率高達幾個千瓦到幾十,上百千瓦。中短波、超短波,VHF/UHF的廣播、電視、通信發射機的功率從瓦級到幾十上百瓦,高至千瓦級。上述系統的頻率從幾百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要求,頻帶要求,不同的應用場合,需求都是不一樣的。各個頻段的功率放大器,特別是射頻段和微波波段,可能的電路結構形式是完全不一樣的。

          現代移動通信技術在飛速發展,模擬通信體制逐漸退出歷史舞臺,數字通信體制在更新換代。所有這些變革都對RF、微波功率放大器的指標要求愈來愈苛刻。功率放大器如何滿足現代通信系統的要求,仍是擺在我們面前的艱巨的任務。新一代移動通信中的發射機,效率和線性度這兩個指標擺到了最重要的位置。為了滿足這種苛刻的要求,研發出許多新型發射機的方案,一些正在成熟,而有些還仍在研發之中。

          除了性能指標之外,價格因素也是必須考慮的問題。移動通信領域中的市場競爭尤其激烈,價格競爭是一個最主要的領域。功率放大器的價格是影響系統價格的最主要的因素之一。因此,高指標、低價格是現代功率放大器設計者追求的目標。

          RF和微波功率放大器的設計技術是一們古老的技術,但也是仍在不斷更新的技術。功率放大器分成A類、B類和C類的方法早在上世紀30年代就開始了。至今,這個概念還在使用。由于移動通信新一代數字調制系統的使用,要求功率放大器高的線性度。為了滿足系統要求,老的設計方法,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計仍起到了指導作用。當然,現代功率放大器的計算機輔助設計已成為必不可少的工具,掌握他是勢在必行。

          現代通信技術的日新月異,促進了功率放大器技術的發展,尤其是功率放大器的線性化技術、功率放大器效率提高技術、兼顧功率放大器線性度和效率技術等等更是紛紛出籠。例如,Doherty技術、前饋技術、預失真技術、異相技術等等。這些新技術很多已應用在現代移動通信系統中,還有一些正在發展之中。

          射頻與微波功率放大器的設計與實踐,在我國仍是一個較薄弱環節。雖然,目前已出現幾家專門研發和生產功率放大器的專門公司,例如 等等。筆者認為編著一種既有原理,設計方法,又有工程實踐的書是完全必要的。功率放大器,現在,至少今后幾十年,仍是一門不能集成的電路技術,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、寄身參數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的好壞,在某些應用中,是電路能否成功的關鍵。一個設計優良的功率放大器,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驗與例子。功率放大器除了設計和布板之外,還存在很多工程問題,如元器件的選擇、饋電、熱設計、功率放大器保護等等,這涉及很寬的電路知識。本書在這方面也作一些介紹,當然,限于篇幅,不可能對每一個部分作詳細介紹。

          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計者的薄弱環節。本著作幾乎用了一章的篇幅來介紹在方面的內容。特別是如何理解晶體管數據表上給出的直流參數、功能參數、極限參數,特別是極限參數的測量及限制等等。

          射頻和微波功率放大器使用的晶體管有:雙極晶體管(BJT)、砷化鎵金屬半導體場效應管(GaAsMESFET)、結型場效應管(FET)、橫向擴散場效應管(LDMOS),現在,又出現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。

          本書的一個最大的特點是:用了很大的篇幅介紹數字通信的信號調制的性質和特點,用于放大這樣的信號的功率放大器的要求是什么。使功率放大器設計工程師更為明確目標和目的。著作中給出了很多的工程設計的實例,這些例子都來源于國外的文獻資料。筆者也有這方面很多的工程設計實例和實際測量數據,但限于一些因素,不便于發表。

          射頻和微波固體功率放大器仍在不斷的發展之中,很多指標以前認為作不到的正在被刷新。在書中要及時反映這些變化與發展是不可能的。因此,本著作的理論核心側重于基本概念、基本原理、基本設計方法。在這基礎上,再歸納出工程設計近似法。

          功率放大器工作在大信號狀態,嚴格的數學分析是不可能的。為了給出定量分析的結果,常常要作很多假設。假設符合實際工程情況嗎?假設得到的近似滿足工程設計的精度嗎?這些都要一一驗證。本書給出了這個過程。

          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 現代數字通信體制的特點

          §1-1-1 功率放大器在無線通信系統中的地位

          §1-1-2 功率放大器波形質量的測量

          §1-1-3 功率效率的測量

          §1-1-4 功放線性化技術和效率提高技術

          §1-2 射頻與微波固體功率放大器的特點

          §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 強非線性效應下的近似分析法

          §1-3-4 計算機輔助設計(CAD)和非線性器件模型

          §1-3-5 負載牽引設計法

          §1-4 射頻和微波固體功率放大器中的新穎技術

          §1-4-1 功率放大器的線性化技術

          §1-4-2 效率及線性化增強技術

          第二章 射頻和微波晶體管功率放大器基礎

          §2-1 射頻和微波功率晶體管的直流參數和功能參數

          §2-1-1 直流參數

          §2-1-2 極限參數和熱特性

          §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用基礎

          §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和電路比較

          §2-3-1 晶體管類型

          §2-3-2 參數的比較

          §2-3-3 電路組態

          §2-4 影響功率放大器設計的其他因素

          §2-4-1 工作類別

          §2-4-2 調制類型

          §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用

          §2-5-1 LDMOSFET與垂直MOSFET的比較

          §2-5-2 LDMOS器件設計

          §2-5-3 LDMOS的特性

          §2-5-4 FET的一些近似設計考慮

          §2-5-5 LDMOS晶體管在現代移動蜂窩技術中的應用

          §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功率放大器設計實際例子

          §2-5-9 CDMA放大器設計和優化的電路技術

          §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

          §2-6-2 功率放大器的負載失配量的“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計思想

          §2-8-1 單端、平衡(并聯)或者推挽功率放大器

          §2-8-2 單端RF功率放大器設計思想

          §2-8-3 雙極晶體管并聯功率放大器

          §2-8-4 MOSFET晶體管并聯功率放大器

          §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絡

          §2-8-7 功率放大器系統的級間匹配電路

          §2-8-8 單級設計的實際例子

          §2-9 計算機輔助設計程序

          §2-9-1 概況

          §2-9-2 Motorola阻抗匹配程序的內部

          第三章 射頻和微波功率放大器的結構技術及可靠性技術

          §3-1 RF功率晶體管的封裝類型

          §3-2 封裝對發射極/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計和功率放大器的線性化技術

          §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 頻率的產生

          §4-1-3 非線性現象

          §4-1-4 放大器中的非線性現象

          §4-2 線性晶體管功率放大器的設計

          §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 負載牽引測量

          §4-2-4 商用負載牽引測量設備

          §4-2-5 負載線理論

          §4-2-6 封裝效應和負載牽引理論

          §4-2-7 用CAD程序作負載牽引等功率

          §4-2-8 A類功率放大器設計的實際例子

          §4-2-9 總結

          §4-3 功率放大器的線性化技術

          §4-3-1 負反饋線性化技術

          §4-3-2 預失真技術

          §4-3-3 前饋技術

          第五章 高效率射頻和微波固體功率放大器設計

          §5-1 功率放大器減小導通角的波形分析

          §5-2 功率放大器輸出端口

          §5-3 減小導通角工作模式分析

          §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

          §5-3-4 C類工作狀態

          §5-3-5 晶體管的開啟(膝)電壓的影響

          §5-3-6 功率轉移特性和線性度

          §5-3-7 對輸入驅動的要求

          §5-3-8 本節小結

          §5-4 降低導通角高效率功率放大器的匹配網絡的設計

          §5-4-1 低通匹配網絡

          §5-4-2 傳輸線網絡

          §5-4-3 諧波短路

          §5-4-4普通的的MESFET晶體管

          §5-4-5 850MHz 2W B類功率放大器設計實例

          §5-4-6 “π”型功率匹配網絡

          §5-4-7 功率放大器中的“π”型匹配網絡設計和分析

          §5-4-8 使用負載牽引法的網絡設計和分析

          §5-5 射頻和微波功率放大器中的過驅動和限制效應

          §5-5-1 過驅動A類功率放大器

          §5-5-2 過驅動減小導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

          §5-5-4 實際的F類功率放大器

          §5-5-5 具有諧波短路的過驅動功率放大器

          §5-6 射頻應用的開關模式放大器

          §5-6-1 簡單的(射頻應用)開關模式放大器

          §5-6-2 調諧開關模功率放大器

          §5-6-3 D類開關模功率放大器

          §5-6-4 E類開關模功率放大器

          第六章 射頻和微波功率放大器的電路技術

          §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償和負反饋

          §6-3-1 頻率補償

          §6-3-2 負反饋

          第七章 功率合成與分配技術

          §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 合成的網絡特性

          §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構的分析

          §7-3-3 波導和腔體合成器的分析

          §7-3-4 空間功率合成結構的分析

          §7-4 常規功率分配與合成技術

          §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

          §7-5-1 基于DGS結構的不等分功率合成技術

          §7-5-2 基于多層結構的小型化超寬帶合成技術

          §7-5-3 任意雙頻段功分與合成技術

          §7-6 空間功率合成技術

          §7-6-1 概述

          §7-6-2 擴展同軸波導內空間功率合成技術

          §7-6-3 徑向波導空間功率合成技術

          §7-6-4 基片集成波導空間功率合成技術

          §7-7 大功率合成技術簡介

          §7-7-1 傳輸線的功率容量

          §7-7-2 大功率合成器的設計實例

          §7-8 小結

          第八章 射頻和微波功率放大器中的記憶效應和失真

          §8-1 介紹

          §8-1-1 本章的目的

          §8-1-2 線性化和記憶效應

          §8-1-3 本章的主要內容

          §8-2 電路理論和方法

          §8-2-1 電系統的分類

          §8-2-2 非線性系統的頻譜計算

          §8-2-3 無記憶非線性系統中的頻譜再生

          §8-2-4 非線性效應與信號帶寬的關系

          §8-2-5 非線性系統分析

          §8-2-6 小結

          §8-2-7 需記住的要點

          §8-3 射頻功率放大器中的記憶效應

          §8-3-1 效率

          §8-3-2 線性化

          §8-3-3 電記憶效應

          §8-3-4 熱記憶效應

          §8-3-5 幅度域效應

          §8-3-6 總結

          §8-3-7 記憶要點

          §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

          §8-4-7 記憶要點

          §8-5 Volterra模型的特性描述

          §8-5-1 擬合多項式模型

          §8-5-2 自熱效應

          §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-參數測量

          §8-5-6 封裝效應的去除

          §8-5-7 小信號參數的計算

          §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

          §8-5-13 記憶要點

          §8-6 仿真及測量記憶效應

          §8-6-1 仿真記憶效應

          §8-6-2 記憶效應的測量

          §8-6-3 記憶效應與線性化

          §8-6-4 小結

          §8-6-5 記憶要點

          §8-7 記憶效應的抵消

          §8-7-1 包絡濾波法

          §8-7-2 阻抗優化

          §8-7-3 包絡注入

          §8-7-4 小結

          §8-7-5 記憶要點

          附錄7A: Volterra 分析基礎

          附錄7B: 截斷誤差

          附錄7C:平方非線性級聯時的IM3公式

          附錄 7D: 測量系統的有關問題

          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 反相功率放大系統的線性性能

          §9-2-1介紹

          §9-2-2 數字調制技術

          §9-2-3 數字數據的基帶濾波

          §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的影響

          §9-2-8 重構濾波器和DSP抽樣率對線性度影響

          §9-2-9總結

          §9-3 異相放大器中降低路徑失配的技術

          §9-3-1 簡介

          §9-3-2 基于訓練矢量的改進方法

          §9-3-3 數據傳輸中路徑失配誤差的校正方案

          §9-3-4 寬帶應用中的失配校正方法

          §9-3-5 VCO驅動合成

          §9-4 異相功率放大器中的功率合成及效率增強技術

          §9-4-1 介紹

          §9-4-2 異相放大器中的功率合成技術

          §9-4-3 異相系統的放大器選擇

          §9-4-4 利用A、B、C類放大器設計異相放大器

          §9-4-5 Chireix功率合成技術

          §9-4-6 開關模式放大器(D類和E類)的功率合成器的設計

          §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 通信系統中的功率放大器

          §10-1 Kahn包絡分離和恢復技術

          §10-2 包絡跟蹤

          §10-3 異相功率放大器

          §10-4 Doherty功率放大器方案

          §10-5 開關模和雙途徑功率放大器

          §10-6 前饋線性化技術

          §10-7 預失真線性化(技術)

          §10-8 手持機應用的單片CMOS和HBT功率放大器

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        公司著作

        COMPANY WORK

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