摘要：對設(shè)計的低壓寬帶功放的指標進行了介紹，并對設(shè)計功放所涉及的理論進行研究和討論，在對所選用的功放管在廠家沒有提供S參數(shù)的情況下進行了相關(guān)單管測試和驗證，給出了參數(shù)優(yōu)化后結(jié)果，根據(jù)分析以及計算后對功率放大器進行設(shè)計，對功率放大器做了硬件設(shè)計調(diào)試，并給出板級相關(guān)指標的測試結(jié)果。結(jié)果表明，該設(shè)計符合要求。
關(guān)鍵詞：負反饋；非線性特性；功率回退；傳輸線變壓器
0 引言
功率放大器在無線通信系統(tǒng)中是一個不可缺少的重要組成部分。隨著通信體制的發(fā)展，功率放大器進入了快速發(fā)展的階段。目前功放的主要應(yīng)用趨向微波頻段，尤其是民用的井噴式發(fā)展，相對地1．6～30 MHz的功放應(yīng)用越來越少，隨之此頻段的可選功放管的研發(fā)新品也隨之減少，在功放指標不斷被要求提高的前提下，這就造成此頻段功放的設(shè)計的困難增加，其中寬帶低壓大功率功放的設(shè)計最為困難。
1 指標要求
該項目是軍用短波發(fā)射機部分的重要組成部分，根據(jù)項目的的具體使用場合和環(huán)境特點，按照GJB規(guī)定和整機要求，對于功率放大器提出以下指標要求：
(1)頻率范圍：1．6～29．9999MHz；
(2)輸出功率：單音功率為100 W(AVG)，雙音峰包功率為100W；
(3)激勵幅度：單音0 dBm(50 Ω阻抗)；
(4)增益：50 dB；
(5)增益平坦度：±1dB；
(6)功耗：在輸出功率100 W，電源電壓13．8V條件下，電流小于16A；
(7)工作電壓：11～17 V能夠正常工作；
(8)測試電壓：12．5 V，13．8V；
(9)三階互調(diào)：小于等于-32 dB(測試條件為：雙信號、間隔0．67 kHz，平均功率50 W，PS=13．8V；
(10)諧波：偶次諧波小于等于-20 dB，奇次諧波小于等于-13dB。
2 線路方案
采用對管推挽電路、負反饋電路和傳輸線變壓器，可以滿足增益平坦度的要求。功率放大單元由激勵放大級、末前級放大級、末級功率放大級、Ⅱ型衰減輸入網(wǎng)絡(luò)、偏置電路、總流控制和溫度控制電路組成。根據(jù)射頻輸入信號幅度和輸出功率的要求計算功放總增益：
VIN=0 dBm；POUT=50 dBm；GP=50 dB
根據(jù)功放總增益和頻帶范圍(1．6～30 MHz)，功放按三級設(shè)計。增益分配和每級采用的電路形式分別為：第一級采用甲類工作狀態(tài)，增益大于25 dB，輸出功率約25 dBm；末前級采用甲乙類工作狀態(tài)，增益大于16dB，輸出功率約41 dBm；末級采用甲乙類工作狀態(tài)，增益大于12 dB，輸出功率約為53 dBm。
各級之間采用傳輸線變壓器耦合，磁性材料選用進口雙孔磁環(huán)，磁通密度一致性好，對于全頻段的增益平坦度大有好處。利用傳輸線變壓器在寬頻帶范圍內(nèi)傳送高頻能量和實現(xiàn)兩極放大器之間的匹配和末級放大與負載之間的阻抗匹配。由于受低壓功放管市場奇少的限制，末級選用輸出功率為80 W的晶體管，末級采用對管推挽輸出，從而保證了功率的富余量。甲類功率放大器的優(yōu)點是線性好、失真小，較好的噪聲系數(shù)，在1 dB壓縮點以下具有幾乎不失真的脈沖響應(yīng)，在不同輸出電平時的通帶起伏小和在不同輸出電平時的相位和增益不變，在第一級采用了甲類工作狀態(tài)，以便獲得良好的線性。
3 末級功放管單管測試
在試驗PCB板上將功放管涂抹導熱硅脂后用螺釘緊緊地緊固在散熱鋁板上，根據(jù)資料搭建以上測試電路，調(diào)試過程中根據(jù)經(jīng)驗和輸出指標不斷調(diào)整匹配參數(shù)，最終確定表1所示參數(shù)數(shù)值。
從以上的試驗測試得出如圖2～圖4結(jié)果。參考以上數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：輸出功率要達到100 W時、輸入功率需要10 W左右；該管的增益在1．6～30 MHz范圍內(nèi)波動10 dB；輸出功率在25～80 W范圍內(nèi)三階互調(diào)與五階互調(diào)均優(yōu)于-35 dB。從而設(shè)計理論依據(jù)為，末級采用兩只功放管推挽輸出方式，理論上可實現(xiàn)功率為單管輸出功率的2倍，再折合效率80％，簡單計算80x2×80％=128 W，稍有余量。在此范圍內(nèi)的輸出可滿足三階與五階互調(diào)優(yōu)于-35 dB，不僅滿足設(shè)計指標中輸出功率要求，也滿足了互調(diào)指標要求。
4 功放與濾波器的匹配
一般常用小型號法設(shè)計匹配濾波器，在實際工程設(shè)計中都能做到功放輸出與濾波器輸入阻抗良好匹配，從而有效實現(xiàn)諧波抑制。但在該次試驗中，5．62～8．82 MHz波段不能完全實現(xiàn)有效的阻抗匹配。濾波器的小信號仿真指標良好，阻抗基本在50 Ω附近，插損小于0．1dB，通帶S參數(shù)也不錯，但匹配后總體測試結(jié)果是頻率7 MHz插損大，效率大大降低，也嚴重影響了功放的線性度。調(diào)整濾波器后可改善頻率7 MHz附近頻點到要求指標。但8．6 MHz又出現(xiàn)同樣的阻抗失配，造成線性度嚴重降低。通過長時間的不斷試驗和總結(jié)，也未能解決此問題。一次試驗中偶然發(fā)現(xiàn)功放輸出到濾波器輸入的射頻電纜長度在某一確定值時，可實現(xiàn)此頻段的完全阻抗匹配，全頻段測試指標均滿足設(shè)計要求，仔細分析后測試此射頻電纜的阻抗參數(shù)，發(fā)現(xiàn)芯線兩端之間存在0．2μH的感值，芯線與地線之間也存在28 pF的容值。原來射頻電纜在連接功放輸出與濾波器輸入的同時，對于此頻率相當于串進來一個電感和并聯(lián)了一個電容，于是改進匹配參數(shù)，果然阻抗匹配良好。
后期需要做的是將此網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和濾波器的七階低通網(wǎng)絡(luò)合并。
5 測試圖譜
調(diào)試完成后，按照1 MHz的間隔測試1．6～29．999 9 MHz，指標基本滿足設(shè)計要求，限于篇幅，選取其中的一個測試點，對于輸出功率和互調(diào)指標這兩個主要指標的實際測試頻譜截圖如圖5、圖6所示，可看出此功放的實際測試情況。
上述測試是在輸出功率后端串接250 W／30 dB的衰減器，所以頻譜儀顯示102 mW，互調(diào)測試單峰幅度為25．4 mW，即就是峰包功率101.6 W。從以上可看出，此測試點均滿足功率放大器的設(shè)計指標要求。
6 功放設(shè)計注意的問題
6．1 噪聲
在設(shè)計高增益級聯(lián)功率放大器時，選用低噪聲功放管不但有利于功放的諧波和互調(diào)指標，更有利于功放的穩(wěn)定工作。為了減小噪聲，第一級選用低噪聲晶體管。末級功率放大器的偏置電源不應(yīng)有微弱寄生振蕩，紋波不能太大，否則會引起功放自激振蕩。
6．2 效率
在功放設(shè)計中，效率是一個很重要的指標。短波頻段的功放效率基本在40％。一方面，效率低，預(yù)示著功放輸入、輸出、級間匹配存在失配，從而將一部分功率耗散在阻抗型元件上，導致發(fā)熱，甚至損壞器件的正常工作；另一方面，效率低，匹配失衡，駐波比大，極易損壞功放管，造成研發(fā)成本的上升，同時大電流的工作狀態(tài)，使功放處在一種隱性的非安全狀態(tài)下。在設(shè)計高增益級聯(lián)功率放大器時，為了提高效率，應(yīng)選用高增益晶體管，盡可能減少晶體管數(shù)量，減少功放的級數(shù)。該功放的效率在1．6～25 MHz幾乎達到了末級輸出功放管效率的50％，在同類功放中效率比較高，從而工作狀態(tài)更可靠。
7 結(jié)語
在低壓短波功率放大器的設(shè)計中，輸出滿足設(shè)計要求的功率和線性度是設(shè)計者應(yīng)予以重視的關(guān)鍵問題，文中對于這個問題具體實現(xiàn)措施進行了探討，并詳細分析了短波功率放大器模塊的具體設(shè)計過程。通過樣機的實測結(jié)果證明，文中的論述方法是具體可行的，可供射頻功率放大器設(shè)計工程師作為參考。
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