射频功率放大器
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古之立大事者，不惟有超世之才，亦必有坚韧不拔之志 — 苏轼
本专栏将会围绕现代无线通信系统的核心模块——射频功率放大器(RF Power Amplifier)相关的设计挑战、性能参数、常用结构与技术以及仿真方法与技巧等内容依次展开介绍。本篇为第二部分性能参数，更多后续篇章敬请期待!
功放的性能参数在衡量功率放大器性能的指标中，通常有S参数、稳定性、饱和输出功率、1dB压缩点、效率、交调失真、谐波失真等。在成熟的研发环境中，还会在达到性能要求的情况下要求兼顾功耗、面积和良品率。在不同的系统中，功率放大器性能需求存在一定的差异，因此需要根据系统的具体指标需求来设计相应结构，以下将对功率放大器的性能参数进行描述和分析。
01 S参数S参数是射频功率放大器的一个重要设计指标，它表征的是功放在一定输入功率下的传输、匹配、隔离性能。
图1 典型的二端口网络示意图
对于一个典型的二端口网络，如果用a1、a2、b1、b2来分别表示两个端口的入射波和反射波，我们四个不同S参数的表达式如下。
除了小信号S参数，功放还存在大信号S参数，其定义与S参数类似，区别在于表征的是功放的大信号性能。由于大信号下，器件的寄生效应改变、功放的传输性能降低等，会对S参数产生不同的影响，可以通过仿真来指导设计。
02 稳定性对于功率放大器的设计，稳定性必须加以考虑。功率放大器能否正常工作的先决条件就是是否能在工作频带范围内稳定。通常，可以用稳定性系数来表征稳定性，该参数可由S参数计算。当功放在工作频段内满足以下两个式子时，我们就称功率放大器处于稳定状态[1]。
在实际的功放设计中，功率放大器极易产生不稳定。许多因素都可能导致功率放大器不稳定，比如电路的失配、过高的增益、电源电压及温度的变化等。在考虑功放稳定性时，可以通过优化匹配性能、增加旁路电容等方法来调整稳定性因子，也可以利用反馈、在输入端串联或并联RC结构等方式来降低增益，从而提升功放的稳定性[2]。
03 输出功率输出功率定义为功放输出到负载的功率值。对于射频功率放大器来说，其输出端口的标准阻抗值通常是固定的，设计时固定为50欧姆即可。衡量功率放大器输出功率大小的单位通常是dBm，有些场景下也可以用瓦特来衡量，下式为两者之间的单位对应关系。
可以得出，1mW的功率转换为dBm来表示，其值为0dBm。需要明确的是，当输入功率逐渐增加到一个固定不变的值时，此时所对应的输出功率的大小定义为饱和输出功率[2]。显然，该功率一般是非线性的，是功放能够传输给负载端最大的功率值。
04 功率附加效率效率是功率放大器设计中，非常重要的一个设计指标，其体现的是功放的能量转化性能。功率附加效率是射频功率的增加量功率与直流功耗的比值，是一个小于1的数。
如果效率过低，在相同的输出功率要求下，功放的功耗将会成倍地增大，且能量以热能的形式损耗，还可能影响功放或其它器件的正常工作。因此，功放的效率需要设计者加以仔细考虑。
05 线性度理想功率放大器的输出和输入可以用一个线性函数描述，然而在实际中，功放的输出和输入不总是呈现出线性的关系。尤其是在大信号条件下，功放的输出功率中存在大量的非线性分量。一般来说，功率放大器非线性体现在干扰和杂散上，主要有三种衡量指标，以下将一一说明。
1dB压缩点。功放输出功率与输入功率之间呈现出如图2所示的关系。在输入功率较小时，输出功率的斜率固定，二者之间存在线性关系。然而，由于晶体管本身的非线性，当输入功率增加到一定程度时，斜率变小直至为零，输出功率不再增加。我们将增益下降1dB时的输出、输入功率分别定义为输出1dB压缩点（OP1dB）和输入1dB压缩点(IP1dB)。对于功率放大器来说，输出1dB压缩点与饱和输出功率越接近，所获得的线性度就越高。
图2 典型的二端口网络示意图
三阶交调失真。当功放的输入是双音信号（频率为f1和f2）时，由于晶体管具有的非线性电容等原因，会产生频率之间的混叠。在这些干扰信号的频率中，交调频率分量会对系统产生一定的干扰，因此需要抑制交调产物的大小。在所有交调分量中，高阶交调分量较小，偶次阶交调分量一般不在工作频段内，因此一般无需考虑。三阶交调分量的频率（2f1-f2，2f2-f1）位于功放的工作频带范围内，无法使用滤波器加以滤除，是造成功放非线性失真的重要原因之一。因此，三阶交调是衡量功放性能的重要指标之一，其定义如下式。IMD3表示的是输出三阶分量与输出一阶分量的比值的dB值，在不同的输入功率下，功放的IMD3值是不同的，一般随着功放的输入功率增加，IMD3值随之上升。值得注意的是，三阶交调点IIP3和OIP3也被用来表征功放的线性度，其主要表征的是功放在小信号时的交调性能。
谐波失真。谐波失真指的是在功率放大器的输出端，存在频率与基波频率呈倍数关系的信号。在通常的设计中，三次以上的谐波功率较小，可以忽略，仅考虑二次和三次谐波的影响。一方面，在输出端的谐波分量可能会通过反馈等方式重新输入到输入端，从而使得功放产生更多失真分量；另一方面，还可能发射到电磁空间中，对其它器件和系统造成严重干扰。谐波失真的定义如下式。
性能参数之间的权衡在设计具体的功率放大器芯片电路时，各个指标参数之间存在一定的相互制约，例如带宽与增益之间、效率和线性度之间、输出功率与效率之间。在一部分设计中，需要做到某个方面的极致性能，而在其它的设计中，考虑更多的是指标之间的权衡。针对不同的需求，学术界和工业界人士提出了许多有效的技术来优化功放芯片的性能[3]-[6]，这一部分将在后续的系列文章中加以阐述。
参考文献[1] 吕剑锋,孙虹.射频功率放大器的稳定性分析[J].国外电子测量技术, 2005，24(3):11-14.
[2] 王立果.基于CMOS工艺的超宽带射频功率放大器的研究与设计[D].天津:天津大学, 2014.
[3] B. Fran?ois, P. Reynaert. A Fully Integrated Transformer-Coupled Power Detector With 5 GHz RF PA for WLAN 802.11ac in 40 nm CMOS[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2015, 50(5):1237-1250.
[4]T. Joo, B. Koo, S. Hong. A WLAN RF CMOS PA With Large-Signal MGTR Method[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2013, 61(3):1272-1279.
[5]A. R. Dehqan, S. Toofan, H. Lotfi. Floating Bulk Cascode Class-E Power Amplifier[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 2019, 66(4):537-541.
[6]Chengzhou Wang, M. Vaidyanathan, L. E. Larson. A capacitance-compensation technique for improved linearity in CMOS class-AB power amplifiers[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2014, 39(11):1927-1937.
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