5W射频宽带功率放大器的设计

入也可以设计成具有特定的频率响应 ,使低端反
传输线变压器另一重要作用就是进行平衡和
馈强 ,高端反馈弱 ,从而弥补功放管高低端增益具 非平衡的变换 。例如 ,三极管的共射 、共基放大电
有很大差别的缺陷 。通过从所选用功率管的手册 路及三极管的差分放大电路的输入和输出端口就
中查到相应的 S 参数 ,利用软件进行仿真设计 ,计 是平衡和非平衡的 。
抗匹配 ,可以最大限度的利用功率管本身的带宽 偏置电路和无源偏置电路两种 。通常需要根据特
潜能 。传输线变压器在设计使用上有两点必须注 定电路的需要 ,进行有针对性的偏置电路的设计 。
意 ,一是源阻抗 、负载阻抗和传输线阻抗的匹配关 在直流偏置电路的设计中 ,电路的稳定性是一个
系 ;二是输入端和输出端在规定的连接及接地方 非常重要的指标 。
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成CH都EN
电子机械高等专科学校学报
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的 80 %以内 ,因为功率管的大多参数都与热状态 有关 。除此之外 ,还应当考虑功率管的频率 、增
益 、输出功率等特性 ,由指标要求 ,此设计选用的 功率管是 Motorola 公司的 MRF137 。
图 8 高通滤波器测试图
指标 频率 反射 插损 阻抗
单位 M Hz dBm dBm dBm
要求
30 - 90 ≤- 16 ≤013 ≤- 55
不能达到最大 。如果出现严重不匹配 ,有可能导 上进行 。在校核功率容量时 ,首先要根据所用材
致放大电路不再满足稳定工作条件 ,而演变为一 料的 H —B 曲线选定饱和磁通密度 BM ,BM 要选
个振荡电路 。为此需要设计良好的匹配电路 ,同 择在曲线弯曲部稍前 (如图 2 所示) ,根据这一点
时引入负反馈来尽量展宽工作带宽 。负反馈的引 相应的 HM 值得出传送至次级的功率 。
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2007 年第 3 期 巫丛平 刘静霞 :5W 射频宽带功率放大器的设计
5W 射频宽带功率放大器的源自文库计
巫丛平 刘静霞 (成都电子机械高等专科学校 四川 成都 610031)
摘 要 :在宽带放大电路的设计中 ,往往是以牺牲功率增益来换取宽频带的功率增益 的平坦特性 。本设计除了满足增益平坦和效率外 ,还考虑了波段转换的速度 、体积 、受环 境影响的大小等要求 。调试及试用表明 ,该放大器工作稳定 ,性能可靠 ,已成功应用于通 讯实践 。
算出匹配电路各器件的参数范围 ,以加快功放的
11314 直流偏置电路
调试过程 。
在射频放大电路的设计中 ,容易忽视直流偏
11313 传输线变压器的设计
置电路的设计 。如果直流偏置电路设计不当 ,会
利用传输线阻抗变换器来完成高阻的信号源 影响射频放大电路的功率增益 、噪声系数 ,甚至会
或负载与低阻的功率管输入端或输出端之间的阻 导致放大电路的不稳定 。直流偏置电路包括有源
功耗也大 ,发热量非常高 ,因此必须对管子散热 。 根据每一级管子的功耗 PD 以及管子的热特性指 标 ,这些热指标包括器件管芯传到器件外壳的热 阻 RθJ C ,器件允许的结温为 TJ 、工作环境温度为 TA 等 ,可以计算出需要使用的散热材料的尺寸 大小和种类 。本设计中 ,器件的工作环境为不超 过 65 ℃,为了使散热较快 ,把紧贴功放管的壳体 设计成散热片的形式 ,而且在壳内全部热界面涂 覆导热硅胶 ,保证功放正常工作 。
端的二次谐波刚好在通带内 ,为了满足设计指标 , 将频段范围分为三频段 ,即 30M Hz～43 M Hz 、43 M Hz～62 M Hz 、62 M Hz～90 M Hz 。且滤波器设 计成低通的椭圆滤波器 。以 62 M Hz～90 M Hz 为例 ,滤波器的设计原理图如图 3 所示 。
图 3 62 M Hz - 90 M Hz 滤波器原理图
2 测试
图 6 温度补偿电路
119 散热问题 凡是射频功率放大 ,其输出功率很大 ,管子的
211 波段测试 通过前一部分对各电路的分析和设计 ,利用 矢量网络分析仪进行调试 。三频段的测试参数如 下表 1 ,其滤波器第三频段及高通滤波器的调试 图分别如下图 7 和图 8 所示 。
图 7 第三频段滤波器测试图
因为滤波器一次只能在一个频段工作 ,其它 两频段的电子开关应该断开 ,而在实际中 ,电子开 关关断的时候还是有信号通过 。例如 ,当一段滤 波器工作时 ,信号会从二段 ,三段滤波器通过 。为 了消除这种情况 ,在滤波器后加了一消隐电路 ,当 有信号时让它到地 。
116 高通滤波器 接收通道 30M Hz 高通要求带外抑制小于等 于 50dBm ( ≤20M Hz 处) 。高通滤波器的插损要 求小于等于 013dBm ,反射小于等于 - 15dBm 。其 原理图如图 4 所示 。
式下应用 。因此 ,在设计中 ,采用了 1∶1 传输线变
11315 AL C 及 BL K 控制电路
压器 ,且用高μ低耗的高频磁环 (为了得到宽带响
AL C 自动增益控制电路是一个闭环的控制
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2007 年第 3 期 巫丛平 刘静霞 :5W 射频宽带功率放大器的设计
系统 ,系统的阶数极点和拐点 、时间常数以及避免 超调和调整不足等问题需要认真考虑 ,在此设计 中 ,主要作用是在输入电平不变的情况下 ,保证在 不同频点下输出 5W 。信号经过自动增益控制电 路后首先输入到一级功放进行放大 (一级有 25dB 增益 ,可以出 1W) ,输出经过传输线变压器的平 衡和不平衡变换后输入到下一级的功放输入端 , 下一级的功放增益为 18dB ,可以输出 16W 。而 BL K 控制电路的作用是当跳频电台在跳频时 ,不 让杂散和一些干扰信号发射出去 。
关键词 :功率放大器 功率增益 宽频带 传输线变压器 Abstract :In t he design of broad band amplification elect ric circuit , often to gain broad band smoot h characteristic of t he power - plus is at t he expense of t he power - plus1 This de2 sign not only contains t he gain plus and t he efficiency , but also has considered wave band switching speed and size and circumstance and so on1 The debugging and practice indicated t hat , t his amplifier work is stable , t he performance is reliable , and t his amplifier has suc2 cessf ully applied to t he communication1 Key words :power amplifier power - plus broad band t ransmission line t ransformer 中图分类号 : TN722
图 4 高通滤波器原理图
117 定向耦合器 定向耦合器又称为方向耦合器 ,因为这种器 件的输入和输出信号除了幅度信号外 ,还有一定 的方向性关系 。它类似于高频电路中的变压器网 络 ,功率按比例和相位进行分配和耦合 。定向耦 合器是一个四端口的网络 ,如图 5 所示 。本设计 采用此 器 件 , 达 到 收 发 隔 离 , 要 求 其 隔 离 度 ≥ 85dB 。
随着现代通信技术的发展 ,功率放大器已成 为无线通信系统中一个不可或缺的部分 。宽频带 高速跳转技术 、宽频带扩频技术对固态发射机提 出了更高的要求 ,即射频功率放大器宽带化 。宽 带大功率产生技术已成为现代通信对抗的关键技 术 ,即使接收机构性能再好 ,能准确跟踪瞄准目 标 ,但最终干扰效果的实现还须依赖于发出的大 功率信号来压制 ,其重要性不言而喻 。目前 ,正朝 着多载波 、大容量 、高速度方向迅猛发展的 CD2 MA 、L MDS、WLAN 等无线通信系统均对功率放 大器提出了很高的要求 。以前 ,我国干扰机的大 功率固态功放一直靠进口 ,但随着技术的进步和 器件制造水平的提高 ,大功率的自制或部分自制 成为可能 。应某军工应用要求 ,笔者设计了功率 大于等于 5W 的射频宽带功率放大器 ,并成功应 用于实践 。
图 5 定向耦合器
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118 温度补偿电路 为了使功放受环境影响较小 , 且要在 40 ℃—+ 65 ℃的温度下工作 ,而功率增益不能下 降 115dBm ,所以要对功放进行温度补偿 。考虑 功放管在高温时增益下降 ,而低温时增益升高。 所以为了让功放在温度变化时增益保持较小的变 化 ,此设计对功率管的栅压进行调整 (相对于常温 25 ℃) ,电路如图 6 所示 。
图 1 原理框图
11312 匹配电路
应) 。其传输线阻抗选为原阻抗与负载阻抗的几
在射频匹配电路的设计中 ,除了通常采用的 何平均值 ,即源阻抗 :传输阻抗 :负载阻抗 = 4∶2∶
获得最大功率传输标准外 ,还可使用获得最小系 统噪声 、最佳频率响应等标准 。在设计射频电路
1。 由于选用的是高μ磁环 ,当传送功率较大时 ,
图 2 磁化曲线及饱和磁通密度
114 收发电路 因为此设计是一个半双工的放大电路 。所 以 ,根据设计指标 ,当发射时 ,给发射通道的二极 管加一个 5V 的电压 ,而给接受通道的二极管加 一个 35V 的电压 ,信号通过发射控制电路输出 , 而接收通道的二极管被加了一个 35V 的电压而 截止 ,信号不能通过 ,所以不能到达接收通道 ;为 了满足收发隔离度的要求 ,在接收通道加一 PN 管到地 ,当有信号到达接收通道时 ,信号到地 。接 收时电压则相反 。 115 波段控制设计 在射频通信系统中 ,通常都需要使用滤波器 电路用来分离有用的信号 。按照处理信号的种 类 ,滤波电路可分为模拟滤波电路和数字滤波电 路 。在设计时 ,主要涉及模拟滤波电路的设计 ,一 般使用无源电路来实现 ;而数字滤波电路则利用 有源电路来实现 。因为功放的效率要求很高 ,所 以滤 波 器 的 插 损 不 能 太 大 , 要 求 插 损 低 于 013dBm ,反射小于等于 - 16dBm ,带外抑制要小 于等于 - 52dBm 。 由于功放的频段范围是 30M Hz～90M Hz ,低
的匹配网络时 ,不仅考虑了简单性和频带宽度 ,同 必须检验磁环的功率容量 。这是由于磁环的磁
时也考虑了电路种类和可调节性等方面的要求 。 通 ,在功率较大时会出现饱和 ,以致大信号时等效
它们不仅降低了成本 ,也使电路可靠性提高 。如 L 下降 ,功率送不过去 。变压器的一般规律是磁
果级间不满足共轭匹配的条件 ,系统的功率增益 饱和频率越低越严重 ,所以功率效验要在低频限
1 设计方案
111 主要技术指标 工作频段 : 30～90M Hz ;输出功率 : ≥5W (最 大输入 12mW) ;功率增益 : ≥40dB ;增益平坦度 : ≤4dB ;工作温度 : - 40 ℃～ + 65 ℃。 112 设计原理框图 根据技术指标 ,采用分波段达到宽带的设计 要求 ,5W 射频宽带功率放大器的设计原理如图 1 所示 。 113 功放部分 11311 功率管的选择 为了得到大的功率输出 ,应当选用热阻小 、电 流容量大 、效率高 、输入和输出阻抗能力好的功率 管 。但值得注意的是 ,不可以在一个以上极限参 数条件下选用功率管 , 一般应当留有 20 %的余 量 ,特别是功率管的结温应当控制在最大额定值