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1.功率放大器设计概述
功率放大器是射频发射机系统中必不可少的功率器件，其作用是将射频小信号放大为一定功率的射频大信号。在射频发射机系统中，功率放大器是一个高耗能器件，它所消耗的能量在整个系统的功耗中占有不小的比例。同时，由于输出信号功率大，功率放大器往往工作在非线性区。因此，功率放大器的输出功率、能耗与线性度基本上决定了整个系统的性能表现。未来，通信系统的调制方式将会对器件的线性度提出越来越高的要求，所需功耗也日益增加，设计性能良好的功率放大器具有非常重要的意义。
晶体管是射频功率放大器的核心之一。当前，用于制作晶体管的半导体材料已经发展到第三代。第一代半导体材料以最广泛应用的硅（Si）为主，第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）等III-V族化合物为主，第三代半导体材料则是以氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体材料。与半导体材料相对应的，还有金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）、双极性晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）、高电子迁移率晶体管（HEMT）等工艺产品。目前，不同的工艺各有优缺点，因此都有相应的应用领域 [1] 。本书主要基于GaN HEMT进行功率放大器设计。GaN HEMT以其高耐压、高耐热、高电子迁移率的特性，成为高频大功率射频器件的首选器件。
除了晶体管，功率放大器的主要组成部分还包括匹配电路、偏置电路和稳定电路。匹配电路的作用是将50Ω的端口阻抗匹配至晶体管工作所需的最优阻抗。受限于晶体管自身的半导体特性和封装的寄生参数，端口阻抗通常不是射频标准中需要的50Ω，直接接入50Ω阻抗的电路中会造成输入功率大部分被“反射”出去，最终增益较低。另外，功率放大器的其余性能也都与匹配阻抗相关，比如：噪声系数与输入匹配阻抗有较大关联，输出功率、效率与输出匹配阻抗关系较大。因此，功率放大器的主要特性，如增益、带宽、噪声系数、输出功率、效率等，都与匹配电路的设计直接相关 [2] 。
偏置电路的作用是为晶体管提供直流偏置，同时为了不影响交流通路，应使其在工作频率内接近开路。稳定电路的作用是使功率放大器在全频段内处于无条件稳定状态，为系统的正常工作提供基础。
本书将以4种功率放大器为例，阐述其理论基础、设计原理、仿真过程和制作方法。本书详细介绍了如何使用ADS仿真软件对晶体管进行指标测试，建立设计目标参数，构建各部分电路，对从理想模型到全波电磁仿真模型的不同阶段模型进行仿真和优化，最终导出设计文件。
2.功率放大器常用设计指标
功率放大器的主要设计指标是功率增益、输出功率、效率和线性度，其中又有多种不同的指标来衡量不同侧重点下的性能 [3] 。
1）功率增益
功率增益指的是功率放大器输出功率与输入功率的比值，其单位通常为dB。功率放大器在不同输入功率水平下的增益会有所变化，因而功率放大器的功率增益又分为小信号增益（线性增益）和大信号增益（饱和增益）。小信号增益（线性增益）是指功率放大器在小信号输入下的增益值，该状态下功率放大器工作在线性区，输入功率与输出功率之间成线性关系，增益较为稳定。大信号增益（饱和增益）是指功率放大器在饱和状态下的增益。通常情况下，大信号增益会低于小信号增益，因为晶体管在饱和后，输出功率无法继续增大，此时继续增加输入功率，增益会迅速减少。
2）输出功率
讨论功率放大器的输出功率时，通常指的是饱和输出功率，其常用单位为dBm。功率放大器在深度饱和之后，非线性显著增强，增益开始被大幅度压缩，这个工作状态基本没有实用意义。因此，在实际工程中，使用1dB功率压缩点 P 1dB 来表示功率放大器的饱和输出功率。 P 1dB 代表功率放大器增益被压缩1dB，或者说增益比小信号增益（线性增益）小1dB时的输出功率。
对于GaN HEMT等新型晶体管，其增益特性与MOSFET等传统晶体管有所区别，衡量标准也不一样。以本书使用的GaN HEMT为例，该类晶体管在线性区的非线性会更强，表现为小信号状态下的增益缓慢压缩，1dB功率压缩点距离真正的饱和还有一定距离。因此，对于GaN HEMT，会使用3dB功率压缩点 P 3dB 来表示其饱和功率。
3）效率
效率是功率放大器的重要性能指标。在实际应用中，效率通常分为漏极效率（DE）和功率附加效率（PAE）两种。漏极效率即功率放大器输出功率与直流电源供电功率的比值。功率附加效率则是功率放大器输出功率减去输入功率后与直流电源供电功率的比值。功率附加效率的意义是扣除输出功率中输入功率的贡献，表示直流电源功率直接转化为输出功率的比率。通常，功率附加效率会略低于漏极效率，但随着增益的增加，两者会越来越接近。在实际使用中，这两个指标都有可能被用到。
4）线性度
线性度涵盖了多种指标，因为功率放大器的失真有多个来源，主要包括谐波失真、AM-PM失真和互调失真等。在现代通信系统中，互调失真信号的频率与载波频率较为接近，无法使用滤波器滤除，因此成为影响最大的失真之一。衡量互调失真程度的指标主要有ACPR（邻信道功率比），它是指功率放大器在放大某个信道的信号时，本信道检测到的平均输出功率与相邻信道检测到的平均输出功率的比值。
此外，在4G和5G通信系统中，I/Q调制被广泛应用，衡量I/Q调制误差程度的指标EVM（误差相量幅度）也越来越被重视。
由于线性度的测量较为复杂，功率放大器的线性化也属于独立的技术领域，本书将不涉及线性度和与线性化相关的内容。
3.ADS软件简介
ADS（Advanced Design System）软件是由是德科技（Keysight）推出的电子设计自动化（EDA）软件。该软件包含模拟/射频信号处理、数字信号处理、Momentum电磁场和EMDS电磁场等仿真平台，以及直流仿真、交流仿真、 S 参数仿真、谐波平衡仿真、大信号 S 参数仿真、增益压缩仿真、包络仿真和瞬态仿真等仿真控制器。其中，基于矩量法（Method of Moment，MoM）的2.5D电磁场仿真器Momentum可以较快地完成多层PCB和射频集成电路等类平面结构的电磁仿真，并且能够保证较高的仿真精度。ADS软件可以实现无源电磁仿真与有源电路仿真相结合的联合仿真，因此该软件在射频功率放大器等射频有源电路设计中应用广泛，深受学术界和工业界的欢迎。
本书详细介绍了如何使用ADS软件仿真具有代表性的微波功率放大器，包括逆F类功率放大器、宽带功率放大器、滤波集成功率放大器、双频双端口功率放大器等，展示使用ADS软件仿真晶体管的匹配参数、辅助设计、将理想模型转化为实际物理模型以及查看功率放大器的稳定性、 S 参数、输出功率、效率等信息的方法。本书使用的ADS软件版本为ADS 2015.01。若需了解更多关于ADS软件的详细信息，请访问是德科技官方网站和参考文献[4-7]。
4.本书安排
本书展示了射频功率放大器从理论分析到使用ADS软件进行晶体管指标仿真、匹配参数确定和电路设计，再到微带线模型仿真、版图仿真和联合仿真，直至生成加工文件、送厂加工和焊接实测的全过程。在第1章中，以逆F类功率放大器为例，详细展示和解释了功率放大器仿真实现中每一个步骤的操作方法和原理；在第2章中，以宽带功率放大器为例，进一步介绍利用ADS软件实现仿真的方法；在第3章中，以滤波集成功率放大器为例，引入更加灵活的混合设计方法；在第4章中，以双频双端口功率放大器为例，引入模块化和分而治之的设计思想，继续引导读者深入掌握功率放大器设计方法。本书介绍的案例均来源于作者课题组发表的最新前沿学术论文和申请的发明专利，所有案例的更多细节可参考相应的学术论文与发明专利全文。
本书是一本理论性和实用性兼具的技术参考书，不仅介绍了多个基于最新前沿科研论文的案例，具有较高的学术价值，并且介绍了实现过程中可能会遇见的各种问题，具有较高的实践指导意义。希望读者通过对本书的认真学习和对照操作，有效掌握射频功率放大器从设计到仿真、实物测试的整套流程，并且对射频功率放大器的基本概念与知识、设计原理、性能指标和实现方法有较为深入的理解，为日后科研工作或工程项目的顺利进行奠定扎实的基础；也盼望通过本书能引导读者顺利入门有源射频电路设计领域，消解读者对于该领域的茫然与畏惧，从而对有源射频电路的科研和实践产生兴趣，成为该领域的中坚力量，进一步推动射频行业向前发展。