无线设计中LNA和PA的基本原理之功率放大器篇

功放在无线系统中至关重要，一方面它消耗非常多的能量，对整个系统的供电及散热设计影响巨大；另一方面，其信号强度及质量决定着通信的距离和速率。 因此，功放相比于低噪放有更多的设计考虑。

PA关键指标考量

与LNA 困难的信号捕获挑战相反，PA 则是从电路中获取相对强的信号，具有很高的SNR，且必须用来提高信号功率。与信号有关的所有通用系数均为已知条件，如幅值、调制、波形、占空比等。

PA 的主要参数为相关频率下的功率输出 ，其典型增益在+10 至+30 dB 之间。能效比是PA 参数中仅次于增益的又一关键参数 ，但是使用模型、调制、占空比、允许失真度以及受驱信号的其它方面会使任何能效评估变得复杂。PA 的能效在30 到80% 之间，但这在很大程度上是由多种因素决定的。线性度也是PA 的关键参数，与在LNA 一样用IP3 值判定 。

尽管许多PA 采用低功耗CMOS 技术（最高约1 至5 W），但在最近几年里，其它技术业已发展成熟并被广泛应用，在考虑将能效作为电池续航时间和散热的关键指标的更高功率水平的情况下，尤其如此。一般而言，在需要几个Watt或更高功率的情况下，采用氮化镓(GaN) 的PA ，在更高输出功率和频率（典型值为1 GHz）下具有更优的能效。尤其是考虑到能效和功率耗散时，GaN PA 极具成本竞争力。

器件实例

Cree/Wolfspeed CGHV14800F（1200 到1400 MHz，800 W 器件）是最新的一些基于GaN 的PA 代表。这种HEMT PA 的能效、增益和带宽组合对脉冲L波段雷达放大器进行了优化，使设计人员能够在诸如：空中流量管制(ATC)、天气、反导和目标跟踪系统等应用中找到许多用途。使用50 V电源，可以做到 50%及更高的典型能量转换效率，并采用10 ×20 mm 陶瓷封装，带有用于散热的金属法兰（如下图1）注意：出于机械和热完整性考虑，安装法兰时将封装旋紧（不焊接）到印刷电路板 。

图1：CGHV14800F 1200 至1400 MHz，800 W，GaN PA 具有金属法兰的10 ×20 mm 陶瓷封装必须同时满足困难的射频和散热要求。（图片来源：Cree/Wolfspeed）

CGHV14800F 采用50 V 电源供电，通常提供14 dB 的功率增益，能量转换效率> 65%。与LNA 一样，评估电路和参考设计至关重要（图2）；除了器件本身之外，为CGHV14800F PA 提供的演示电路需要的元器件非常少，但物理布局和散热考虑很关键；考虑安装完整性和热目标，PA 通过封装法兰以螺钉和螺母（在底部，不可见）固定到板上。

图2：CGHV14800F 评估板（图片来源：Cree/Wolfspeed）

许多规格表和性能曲线中同样重要的是功率耗散降额曲线（图3）。该曲线显示了可用的功率输出额定值与外壳温度的关系，指示最大允许功率是恒定的115°C，然后线性减小到150°C 的最大额定值。由于其在输送功率方面的作用，需要使用PA 降额曲线向设计人员显示允许输出功率随着外壳温度的升高而降低，以便在设计中提供足够的散热设计。可以看到，额定功率在115⁰C 之后迅速下降。

图3： 功率耗散降额曲线（图片来源：Cree/Wolfspeed）

作为市场中另一个重要的玩家，MACOM 还提供了基于GaN 的PA，例如NPT1007 GaN 晶体管（图4）。其DC至1200 MHz 的频率跨度适用于宽带和窄带射频应用。该器件通常以14 到28 V 之间的单电源工作，可在900 MHz 提供18 dB 的小信号增益。该设计旨在耐受10:1 SWR（驻波比）不匹配，且不会发生器件退化。设计人员还通过各种负载牵引曲线获得额外的设计支持。

图4：MACOM 的NPT1007 GaN PA。（图片来源：MACOM）

除了显示500、900和1200 MHz 时性能基础的图外，NPT1007 还支持各种“负载牵引”曲线（图5）；曲线给出了，器件在超出了最小/最大/典型规格标准表，以在其负载阻抗偏离其标称值（初始生产公差以及热漂移会导致实际使用中出现这种情况）时PA所展现的性能。这可以确保设计人员获得稳定的产品级别电路设计。

阻抗牵引测试，要求看到被测设备(DUT) 的阻抗变化，以评估PA 的性能（包括诸如输出功率、增益和能效等因素），因为所有相关的元器件值可能由于温度变化或由于围绕其标称值的公差带内的变化而改变。通常使用成对信号源和信号分析仪（频谱分析仪、功率计或矢量接收器）完成。

图5：NPT1007 PA 的负载牵引图（图片来源：MACOM）

无论使用哪种PA 工艺，器件的输出阻抗均必须由供应商进行充分特征化、参数化，使一般设计人员能将该器件与天线正确匹配，实现最大的功率传输并尽可能保持SWR 一致。匹配电路主要由电容器和电感器构成，并且可实现为分立器件，或者制造为印刷电路板甚至产品封装的一部分。其设计还必须维持PA 功率水平。再次重申，史密斯圆图等工具的使用，是理解并进行必要的阻抗匹配的关键。

散热考虑

鉴于PA 较小的芯片尺寸和较高的功率水平，封装对PA 来讲是一个关键问题。如前所述，许多PA 通过宽的散热封装引线和法兰支撑以及封装下的散热片散热，作为到印刷电路板铜皮的路径。在较高功率水平（约高于5 至10 W），PA 可以有铜帽，使散热器可以安装在顶部，并且可能需要风扇或其它先进的冷却技术。

GaN PA 相关的额定功率和小尺寸意味着对热环境建模至关重要。当然，将PA 本身保持在允许的情况或结温范围内是不够的。从PA 散去的热量不能给电路和系统其它部分带来问题。必须考虑处理和解决整个热路径。

总结

从智能手机到VSAT 端子和相控阵雷达系统等基于射频的系统正在推动LNA和PA性能的极限。这使得器件制造商不再局限于硅，而是探索GaAs 和GaN 以提供所需的性能。

这些新的工艺技术为设计人员提供了带宽更宽、封装更小、能效更高的器件。不过，设计人员需要了解LNA和PA运行的基础知识，才能有效地应用这些新技术。

基于全年能耗模拟的洁净手术室典型负荷分析

【摘要】洁净手术室净化空调能耗大，建设期系统采用额定工况设计，无法根据全年8760h 逐时负荷进行分析，进而无法确定最优设计方案。本文通过洁净手术室全年能耗模拟平台，对全国五大建筑热工分区的11个城市进行负荷模拟、能耗计算、方案比较，为医院管理人员提供节能和初投资的数据支持。

【关键词】8760h；负荷模拟；能耗计算；方案比较。

一、背景

洁净手术室全年运行时间长，净化系统耗电量大，在双碳背景下，洁净手术室节能降耗也是医院关注的重点。洁净手术室净化系统方案复杂：

洁净手术室采用不同净化系统方案，后期运行费用也会相差较大。在洁净手术室建设初期，设计过程中通常采用额定工况点计算额定负荷，并采用极限工况点校核负荷。

我国幅员辽阔，东西、南北跨度都很大，不同区域如何选择能耗最低的方案，本文基于洁净手术室能耗模拟计算，以1间 I 级手术室为模拟对象，提供典型区域负荷变化分析。

二、全年能耗模拟模型

为了更精确模拟洁净手术室全年8760h负荷变化，我们搭建了洁净手术室全年能耗模拟平台。涵盖城市采用了GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》附录A的291个城市，具备医院常见的净化系统类型，负荷模拟抛弃了传统夏季和冬季典型的气候模拟，而采用更为精确的逐时负荷计算。

本文以最常用的自取新风一次回风方案、集中新风温湿分控方案[1] 为研究对象，以1间 I 级手术室为模拟对象，送风量10000m³/h、新风量 1000m³h，手术室设计温湿度 24℃ /50%RH，净化系统送风温度 22.09℃、含湿量 9.10g/kg 干 [2]，每天开关机时间为 8:00-22:00，使用率 100%。

方案1 - 自取新风一次回风方案模拟过程：新风低于 5℃时预热至5℃→新回风混合→判断需求除湿或加湿，如需除湿则表冷除湿、如需加湿则判断是否等湿冷却→除湿后的再热升温、或冬季再热升温→等温加湿。

方案2 - 集中新风温湿分控方案模拟过程：新风低于 5℃时预热至 5℃→一级表冷除湿→二级深度除湿→新风再热控制相对湿度≤ 75% →新回风混合→判断需求除湿或加湿，如需除湿则表冷除湿、如需加湿则判断是否等湿冷却→除湿后的再热升温、或冬季再热升温→等温加湿。

新风机组、循环风机组按全压1200Pa 计算风机功率，自取新风净化机组按 1400Pa 计算风机功率 [3]，白天运行模式风机满负荷运行、夜间值班模式风机50% 新风量。

三、典型城市负荷分析

3.1 典型城市选择

我们选取了哈尔滨、北京、西安、上海、南昌、武汉、成都、福州、广州、海口、昆明共11个城市，覆盖了 GB 50189-2015 条款 3.1.2中城市建筑热工分区 [4] 中的五类。

洁净手术室运行期间典型城市室外最高温度和最低温度分布见图：

3.2 方案 1- 自取新风一次回风方案

自取新风一次回风方案为传统一次回风方案，在医院中应用最为广泛。根据表1 模拟结果可以看出，新风预热量受冬季室外环境温度影响，新风预热至 5℃ [6]。广州、海口室外最低温度≥ 5℃，新风不需要预热；福州室外最低温度2.4℃、且＜ 5℃时仅7h，可以不设置新风预热；哈尔滨、北京、西安新风预热量均超过10000kW.h，采用电加热时能耗高，尤其是哈尔滨，可考虑其他新风预热方案；上海、南昌、武汉、成都、昆明的预热量偏小，可采用电加热进行预热。

无论哪个城市，夏季湿度均超标，室外湿度越大、运行时间越长，冷却除湿需冷量也越大，因此海口最大；而其他城市冷却除湿需冷量分别为海口的 21.2-81.9%，以哈尔滨最低。

在过渡季节运行时，新风含湿量低，净化系统不需要除湿，但温度超标，此时需求等湿冷却。等湿冷却需冷量占总冷量 ( 冷却除湿、等湿冷却 ) 为0.2-11.7%，平均值为 4.4%，全年需求冷量以除湿为主。

等 湿 加 热 再 热 量 整 体 占 比 较 大， 再 热 量 占 总 冷 量 的 65.3-70.6%，平均值为 67.8%。再热热源如采用电加热时，能耗巨大、且存在安全隐患，推荐采用热水盘管进行加热，热水来源可选择性更多。

冬季加湿过程中，即便海口也需要进行短暂的加湿，因此在洁净手术室净化系统配置汇总，加湿是必须选择的。

因风机功率与运行逻辑有关，与室外环境温度无关，各城市的风机耗电量一致。

3.3 集中新风温湿分控方案

集中新风温湿分控方案，是采用新风集中预处理，深度除湿后送入循环风机组，新风机组承担室内湿负荷，循环风机组只承担室内显热负荷。根据表2模拟结果可以看出，受新风逻辑的影响，新风预热量与一次回风方案相同。

一次表冷通常采用冷水盘管、深度除湿通常采用氟盘管，模拟过程中一级表冷预设出风温度为 16℃ [7]。新风机组需控制送风湿度≤75%，避免过度潮湿送风结露、滋生细菌。因采用集中新风温湿分控方案时，循环风机组不承担湿负荷，冷却除湿需冷量为零，也不需要除湿后的再热，等湿加热再热量也为零。无论哪种方案，加湿量均是相同的。因2台机组有2套风机，整体运行下来风机耗电是大于一次回风方案的，增加了 83.1%。

3.4 两种方案冷热负荷对比

总冷量对比：方案2- 集中新风温湿方案总冷量较方案1- 自取新风一次回风方案总需冷量低 57.6-85.4%，平均节约率 65.1%，采用温湿分控方案具有明显的节能优势。

再热量对比：方案2- 集中新风温湿方案总需再热量较方案1- 自取新风一次回风方案总需再热量低 94.9-95.4%，平均节约率95.3%，采用温湿分控方案可大大降低再热能耗。

3.5 不同配置下的能耗对比

针对以上负荷，进行总能耗的计算：冷源系统平均COP取3.5，采用两管制系统，再热热源为电加热，新风预热热源为电加热，加湿功率取加湿量的 90% 值，风机功率为表 1 和表2 数据，不同城市年度总耗电见图 2。

当采用四管制系统方案时 [8]，即再热采用热水盘管且热水来源于冷源机组的热回收，其他耗电不变时，不同城市年度总耗电见图 3，其中方案 3 为方案 1+ 四管制系统方案、方案 4 为方案 2+ 四管制系统方案。

对比图2 和图3 可以得出以下结论：

四、结论

通过搭建洁净手术室全年能耗模拟平台，可精准的分析不同城市洁净手术室的负荷分布，为设计人员和医院管理人员提供精准的数据支撑，不仅实现节能率最大化，还能兼顾投资成本。传统一次回风方案应用范围最广、但能耗最高，目前可采用四管制系统方案实现系统的节能。现阶段大中型洁净手术室也采用集中新风预处理方案，新风带深度除湿，也能取得较好的节能效果，此时可兼顾初投资选择冷热源。北方城市为了进一步降低能耗，可采用降低新风预热的措施。

参考文献

[1] 王卫东 , 李磊 . 新风集中深度处理除湿技术在洁净手术室空调系统中的应用 [J]. 中国医院建筑与装备 , 2021, 22(8): 84-89.

[2] 胡吉士 . 手术室洁净空调系统热湿处理过程探讨 [J]. 暖通空调 , 2001, 31(5): 73-75.

[3] GB 50333-2013, 医院洁净手术部建筑技术规范 [S].

[4] GB 50189-2015, 公共建筑节能设计标准 [S].

[5] GB 50736-2012, 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范 [S].

[6] 白亮 . 寒冷季节净化手术室供冷系统 [J]. 中国高新技术企业 , 2014(1): 164-165.

[7] 王倩 , 何强勇 . 洁净手术室空调系统热湿处理过程探讨 [C]. //全国暖通空调制冷 2010 年学术年会论文集 . 2010:2168-2172.

[8] 赵陈成 , 沈晋明 . 洁净手术室独立冷热源空调系统方案的探究[J]. 建筑热能通风空调 , 2013(2):5-8.

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