短波宽带低压功率放大器的设计与实现

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 功率放大器在无线通信系统中是一个不可缺少的重要组成部分。随着通信体制的发展,功率放大器进入了快速发展的阶段。目前功放的主要应用趋向微波频段,尤其是民用的井喷式发展,相对地1.6~30 MHz的功放应用越来越少,随之此频段的可选功放管的研发新品也随之减少,在功放指标不断被要求提高的前提下,这就造成此频段功放的设计的困难增加,其中宽带低压大功率功率放大器的设计最为困难。

  1 指标要求

  该项目是军用短波发射机部分的重要组成部分,根据项目的的具体使用场合和环境特点,按照GJB规定和整机要求,对于功率放大器提出以下指标要求:

  (1)频率范围:1.6~29.9999MHz;

  (2)输出功率:单音功率为100 W(AVG),双音峰包功率为100W;

  (3)激励幅度:单音0 dBm(50 Ω阻抗);

  (4)增益:50 dB;

  (5)增益平坦度:±1dB;

  (6)功耗:在输出功率100 W,电源电压13.8V条件下,电流小于16A;

  (7)工作电压:11~17 V能够正常工作;

  (8)测试电压:12.5 V,13.8V;

  (9)三阶互调:小于等于-32 dB(测试条件为:双信号、间隔0.67 kHz,平均功率50 W,PS=13.8V;

  (10)谐波:偶次谐波小于等于-20 dB,奇次谐波小于等于-13dB。

  2 线路方案

  采用对管推挽电路、负反馈电路和传输线变压器,可以满足增益平坦度的要求。功率放大单元由激励放大级、末前级放大级、末级功率放大级、Ⅱ型衰减输入网络、偏置电路、总流控制和温度控制电路组成。根据射频输入信号幅度和输出功率的要求计算功放总增益:

  VIN=0 dBm;POUT=50 dBm;GP=50 dB

  根据功放总增益和频带范围(1.6~30 MHz),功放按三级设计。增益分配和每级采用的电路形式分别为:第一级采用甲类工作状态,增益大于25 dB,输出功率约25 dBm;末前级采用甲乙类工作状态,增益大于16dB,输出功率约41 dBm;末级采用甲乙类工作状态,增益大于12 dB,输出功率约为53 dBm。

  各级之间采用传输线变压器耦合,磁性材料选用进口双孔磁环,磁通密度一致性好,对于全频段的增益平坦度大有好处。利用传输线变压器在宽频带范围内传送高频能量和实现两极放大器之间的匹配和末级放大与负载之间的阻抗匹配。由于受低压功放管市场奇少的限制,末级选用输出功率为80 W的晶体管,末级采用对管推挽输出,从而保证了功率的富余量。甲类功率放大器的优点是线性好、失真小,较好的噪声系数,在1 dB压缩点以下具有几乎不失真的脉冲响应,在不同输出电平时的通带起伏小和在不同输出电平时的相位和增益不变,在第一级采用了甲类工作状态,以便获得良好的线性。

  3 末级功放管单管测试

  在试验PCB板上将功放管涂抹导热硅脂后用螺钉紧紧地紧固在散热铝板上,根据资料搭建以上测试电路,调试过程中根据经验和输出指标不断调整匹配参数,最终确定表1所示参数数值。

  

 

  从以上的试验测试得出如图2~图4结果。参考以上数据,得出以下结论:输出功率要达到100 W时、输入功率需要10 W左右;该管的增益在1.6~30 MHz范围内波动10 dB;输出功率在25~80 W范围内三阶互调与五阶互调均优于-35 dB。从而设计理论依据为,末级采用两只功放管推挽输出方式,理论上可实现功率为单管输出功率的2倍,再折合效率80%,简单计算 80x2×80%=128 W,稍有余量。在此范围内的输出可满足三阶与五阶互调优于-35 dB,不仅满足设计指标中输出功率要求,也满足了互调指标要求。

  
4 功放与滤波器的匹配

  一般常用小型号法设计匹配滤波器,在实际工程设计中都能做到功放输出与滤波器输入阻抗良好匹配,从而有效实现谐波抑制。但在该次试验中,5.62~8.82 MHz波段不能完全实现有效的阻抗匹配。滤波器的小信号仿真指标良好,阻抗基本在50 Ω附近,插损小于0.1dB,通带S参数也不错,但匹配后总体测试结果是频率7 MHz插损大,效率大大降低,也严重影响了功放的线性度。调整滤波器后可改善频率7 MHz附近频点到要求指标。但8.6 MHz又出现同样的阻抗失配,造成线性度严重降低。通过长时间的不断试验和总结,也未能解决此问题。一次试验中偶然发现功放输出到滤波器输入的射频电缆长度在某一确定值时,可实现此频段的完全阻抗匹配,全频段测试指标均满足设计要求,仔细分析后测试此射频电缆的阻抗参数,发现芯线两端之间存在0.2μH的感值,芯线与地线之间也存在28 pF的容值。原来射频电缆在连接功放输出与滤波器输入的同时,对于此频率相当于串进来一个电感和并联了一个电容,于是改进匹配参数,果然阻抗匹配良好。

  后期需要做的是将此网络参数和滤波器的七阶低通网络合并。

  5 测试图谱

  调试完成后,按照1 MHz的间隔测试1.6~29.999 9 MHz,指标基本满足设计要求,限于篇幅,选取其中的一个测试点,对于输出功率和互调指标这两个主要指标的实际测试频谱截图如图5、图6所示,可看出此功放的实际测试情况。

  

 

  上述测试是在输出功率后端串接250 W/30 dB的衰减器,所以频谱仪显示102 mW,互调测试单峰幅度为25.4 mW,即就是峰包功率101.6 W。从以上可看出,此测试点均满足功率放大器的设计指标要求。

  6 功放设计注意的问题

  6.1 噪声

  在设计高增益级联功率放大器时,选用低噪声功放管不但有利于功放的谐波和互调指标,更有利于功放的稳定工作。为了减小噪声,第一级选用低噪声晶体管。末级功率放大器的偏置电源不应有微弱寄生振荡,纹波不能太大,否则会引起功放自激振荡。

  6.2 效率

  在功放设计中,效率是一个很重要的指标。短波频段的功放效率基本在40%。一方面,效率低,预示着功放输入、输出、级间匹配存在失配,从而将一部分功率耗散在阻抗型元件上,导致发热,甚至损坏器件的正常工作;另一方面,效率低,匹配失衡,驻波比大,极易损坏功放管,造成研发成本的上升,同时大电流的工作状态,使功放处在一种隐性的非安全状态下。在设计高增益级联功率放大器时,为了提高效率,应选用高增益晶体管,尽可能减少晶体管数量,减少功放的级数。该功放的效率在1.6~25 MHz几乎达到了末级输出功放管效率的50%,在同类功放中效率比较高,从而工作状态更可靠。

  7 结语

  在低压短波功率放大器的设计中,输出满足设计要求的功率和线性度是设计者应予以重视的关键问题,文中对于这个问题具体实现措施进行了探讨,并详细分析了短波功率放大器模块的具体设计过程。通过样机的实测结果证明,文中的论述方法是具体可行的,可供射频功率放大器设计工程师作为参考。

 

  

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