射频发射电路作用「动态电源射频发射机的原理介绍DPST节点电压电流和带宽」

DPST节点电压和电流动态电源（DPS，dynamic power supplies）发射机中节点处的电压和电流之间的关系并不简单。任何发射机的经济价值在很大程度上取决于在所有其他性能规格都得到满足的条件下能否使从顶部电源汲取的电流Is（t）最小化。但与任何其他电路一样，负载吸收的电流会进一步降低系统性能。在这种情况下，我们假设天线负载相当匹配，因此RF电流与RF电压同相，并且根据需要在负载中产生功率。
从PA电源输入（既DPS输出），情况要复杂得多。当然，欧姆定律仍然适用，所以我们有：
DPST节点电压和电流

动态电源（DPS，dynamic power supplies）发射机中节点处的电压和电流之间的关系并不简单。任何发射机的经济价值在很大程度上取决于在所有其他性能规格都得到满足的条件下能否使从顶部电源汲取的电流Is（t）最小化。但与任何其他电路一样，负载吸收的电流会进一步降低系统性能。在这种情况下，我们假设天线负载相当匹配，因此RF电流与RF电压同相，并且根据需要在负载中产生功率。

从PA电源输入（既DPS输出），情况要复杂得多。当然，欧姆定律仍然适用，所以我们有：

从DPS到PA看到的电源阻抗是复阻抗（ZPA）（既包括电阻和电抗部分）。此外，这些电阻和电抗值通常是来自DPS的施加电压的强函数。对于DPS来说，这是一个处理起来非常困难的负载。因此，了解这个阻抗特性对成功的DPST设计来说至关重要。

使用（3.1）通过DPS将此PA负载电流反推到顶部电源，给出了来自顶部电源的负载电流的表达式：

这里明确表示出了DPS转换效率对输出电压的依赖性。将（3.13）与（3.12）组合起来给出了顶部电源负载电流的这种依赖关系：

在（3.14）中，我们看到了解PA的供电输入阻抗实际上是多么重要。我们将在后面的章节准中将详细讨论该课题。

成本和架构

没有什么是免费的，这意味着复杂性通常会影响成本。在其他条件相同的情况下，简单结构优于复杂结构。而历史经验表明，简单的结构往往具有最低的性能。但是，如果这对于手头的设计来说已经足够好了，那么简单就是正确的决定。

为获得最佳性能，DPS必须是一个恒定电源电路，如（3.1）中所述。有两种架构（理想情况下）可以作为恒定电源电路来实现执行：变压器（ transformer）和开关模式电源（SMPS，switch-mode power supply）。变压器（Transformers）仅作为交流信号的恒定功率器件，因此它们不能直接应用于解决动态电源（DPS，dynamic power supplies）问题，因为DPS输出通常必须包括DC。这意味着有效的DPS设计通常必须包括某种类型的开关模式电源（SMPS，switch-mode power supply）。

线性电源（Linear regulators）通常使用电阻元件来改变输出电压，随输出电流的变化改变其内部电阻。通过这种电阻的电流会导致功耗，而这是我们不想要的。也就是说，动态模拟电压调节器（dynamic analog voltage regulator）是DPS的最低成本的实现方式。为了提高转换效率，SMPS设计因此必须使用无功元件（reactive elements）来执行所需的电压转换。基于电容器（capacitors ）作为电抗元件的SMPS设计称为电荷泵（charge pumps）。当电感器用作电抗元件时，SMPS通常简称为DC-DC（直流电输入直流电输出）转换器。对于此讨论，将在示例中使用DC-DC转换器。

图3-6

图3-6 DC-DC转换必须在其输出上具有AC“噪声”分量。

图3-6中提供了Buck（降压，voltage lowering）DC-DC转换器的功能描述。输出电压为VDCDC，负载电流为IOUT。输入电压为VS，平均输入电流为IS。 DC-DC转换器的开关特性连接输入VS和输出VDCDC之间的内部电感器，占空比D基于此时的能量传输需求和电压。这意味着源电源VS必须能够在内部开关接通的短暂时间内提供整个输出电流幅度。在所有其他时间，进入DC-DC转换器的电流为零。在任何时候，输入电流实际上都等于该脉冲特性的时间平均值。

该脉冲输入电流在输出端未完全消除，这种输出电压变化称为主DC值（VDCDC）的纹波电压。这种纹波电压会引发发射机的信号质量问题，因此不能被保留在大多数DPS发射机中。有两种主要方法可以消除DPS输出中的DC-DC纹波，称为串联滤波（series filtering）和并联滤波（shunt filtering）。

图3-7

图3-7 用于管理DC-DC输出噪声的串联滤波（series filtering）；

串联滤波（series filtering）如图3-7所示。一种选择是使用低通滤波器（LPF）消除输出纹波。如果这个LPF使用无源元件实现，它将具有非常低的带宽 - 通常为1 kHz，对于常见的DC-DC的开关频率高出约100倍。另一种选择是使用线性电源（linear regulator），并通过线性电源（linear regulator）的电源抑制（PSR，power-supply rejection）性能消除DC-DC纹波。后一种方法要求VDCDC高于所需的VDPS，其裕量值需要足以确保串联稳压器能够通过其PSR来消除纹波。

图3-8

图3-8 用于管理DC-DC输出噪声的并联滤波（shunt filtering）；

并联滤波（shunt filtering）如图3-8所示。这种结构增加了一个与DC-DC转换器并联的放大器，两个输出连接在一起。我们的想法是让DC-DC转换器提供几乎所有必要的负载电流IOUT。放大器从输出节点提供或吸收电流，以实现所需的输出电压和电流。

为使并联滤波（shunt filtering）工作，DC-DC转换器的输出电压必须由并联放大器“拉（pulled）”，以弥补VDCDC与所需VDPS之间的任何差异。欧姆定律说，如果DC-DC转换器具有高输出阻抗，这是可能的：它必须是电流源，而不是电压源。幸运的是，这个特性是实用的，因为DC-DC转换器中的电感确实可以充当电流源，就像所有电感一样。而通过增加大输出电容来降低输出阻抗是不合适的。

图3-7中的串联滤波（series filtering）和图3-8中的并联滤波（shunt filtering）都具有重要的损耗机制，除了（3.1）中所示的DC-DC转换器的转换损耗之外。从串联滤波（series filtering）开始，这种额外的损耗来自线性稳压器（既线性电源，linear regulator），在满载电流存在时将其输入电压降至所需的DPS输出电压：

只要该电压降很小，线性稳压器（既线性电源，linear regulator）的转换效率实际上非常好。如果VDCDC下降得太低，那么这个线性电源就无法恢复差异。由于这种结构是串联电路，因此所有输入电流最终都会流入PA。

而并联滤波（shunt filtering）结构的损耗有两种形式：一种是放大器将电流输入到输出节点，另一种是放大器从输出节点吸取电流。这些描述如下：

当并联放大器从输出节点吸取（吸收，sinks）电流时，这意味着DC-DC转换器正在即时为负载需求提供了过多电流。作为同相电压和电流的乘积的功耗是DPS输出电压VDPS乘以该线性放大器需要从PA节点抽出的过剩电感器电流IFLT。此外，这种损耗机制必将进一步降低整体效率，因为它代表不会流入PA的输入电流。这种放大器电流直接接地，没有任何有用的工作。

（3.16）中的第二个分流滤波器损耗机制发生在放大器必须向输出节点提供额外电流，这意味着DC-DC转换器没有提供足够的电流来满足PA的即时负载需求。该电流来自输入电源，产生的功耗是该电流值乘以DPS输出与输入电源的电压差值。来自放大器的额外电流通过PA流动，因此其流量不会导致整体效率的额外固有下降。

DPS的带宽

DPS的输出必须足够快地响应以满足发射机的需求。一个自然的问题是如何确定DPS必须具有多高的带宽要求才能在DPST内成功支持其功能。要回答这个问题，我们首先需要了解DPS的实际要求。

如果DPST的要求是提供最大的能量效率，那么分析表明DPS必须提供与包络波形的精确匹配的电源电压。这意味着包络波形在其所有方面都必须准确，包括其幅度值和相位特性。傅立叶变换要求对于完整的时域波形精度，就必须保留该波形的频域表示的所有方面的内容。

这一要求远远超出了传统-3 dB（半功率）电路带宽的定义，仅仅因为“必须保留该波形的频域表示的所有方面的信息”的要求肯定不符合“半功率”的概念。考虑到现在一个最简单的电路，单极RC滤波器，该滤波器的频率响应特性如图3-9所示。频率归一化为传统的-3 dB带宽定义。幅度响应以dB为单位绘制，相位响应以相移度表示。

图3-9

图3-9 DPS带宽必须作为相位带宽的测量，以确保波形的保真度; 单独的幅度带宽不足以确保输出波形的保真度。

对于必须保持DPS输出波形精确整形的应用，DPS必须准确地传递包络波形的幅度和相位特性。看图3-9，有用带宽远小于BW3。根据实际可容忍的相位失真程度，DPS的真实有用带宽可能是BW3的10％。对于精密应用，有用带宽将远低于此，低至BW3的1％。需要明确的是，所有包络信号频域分量必须包含在此限制范围内。

DPS的带宽确实需要非常宽。这是为什么更窄的带宽DPST实现（例如ET）受到关注的一个原因。没有什么是免费的。如后面所述，获得较低DPS带宽要求的代价是必须降低整体DPST的能效。

这样的代价是难以忍受，因此某些类型的相位均衡可能变得可以接受。这种均衡将增加通过DPS的延迟，而这必须在最终的DPST设计中加以考虑。

本头条号后面会陆续讲解介绍动态电源射频发射机的的基本结构以及工作行为和原理，敬请关注。

（完）