短波寬帶低壓功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：對(duì)設(shè)計(jì)的低壓寬帶功放的指標(biāo)進(jìn)行了介紹，并對(duì)設(shè)計(jì)功放所涉及的理論進(jìn)行研究和討論，在對(duì)所選用的功放管在廠家沒(méi)有提供S參數(shù)的情況下進(jìn)行了相關(guān)單管測(cè)試和驗(yàn)證，給出了參數(shù)優(yōu)化后結(jié)果，根據(jù)分析以及計(jì)算后對(duì)功率放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)功率放大器做了硬件設(shè)計(jì)調(diào)試，并給出板級(jí)相關(guān)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)符合要求。
關(guān)鍵詞：負(fù)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(wú)線通信系統(tǒng)中是一個(gè)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(jìn)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(duì)地1．6～30 MHz的功放應(yīng)用越來(lái)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(biāo)不斷被要求提高的前提下，這就造成此頻段功放的設(shè)計(jì)的困難增加，其中寬帶低壓大功率功放的設(shè)計(jì)最為困難。

1 指標(biāo)要求
    該項(xiàng)目是軍用短波發(fā)射機(jī)部分的重要組成部分，根據(jù)項(xiàng)目的的具體使用場(chǎng)合和環(huán)境特點(diǎn)，按照GJB規(guī)定和整機(jī)要求，對(duì)于功率放大器提出以下指標(biāo)要求：
    (1)頻率范圍：1．6～29．9999MHz；
    (2)輸出功率：?jiǎn)我艄β蕿?00 W(AVG)，雙音峰包功率為100W；
    (3)激勵(lì)幅度：?jiǎn)我? 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(cè)試電壓：12．5 V，13．8V；
    (9)三階互調(diào)：小于等于-32 dB(測(cè)試條件為：雙信號(hào)、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(duì)管推挽電路、負(fù)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(lì)放大級(jí)、末前級(jí)放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí)、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(hào)幅度和輸出功率的要求計(jì)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(jí)設(shè)計(jì)。增益分配和每級(jí)采用的電路形式分別為：第一級(jí)采用甲類(lèi)工作狀態(tài)，增益大于25 dB，輸出功率約25 dBm；末前級(jí)采用甲乙類(lèi)工作狀態(tài)，增益大于16dB，輸出功率約41 dBm；末級(jí)采用甲乙類(lèi)工作狀態(tài)，增益大于12 dB，輸出功率約為53 dBm。
    各級(jí)之間采用傳輸線變壓器耦合，磁性材料選用進(jìn)口雙孔磁環(huán)，磁通密度一致性好，對(duì)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(shí)現(xiàn)兩極放大器之間的匹配和末級(jí)放大與負(fù)載之間的阻抗匹配。由于受低壓功放管市場(chǎng)奇少的限制，末級(jí)選用輸出功率為80 W的晶體管，末級(jí)采用對(duì)管推挽輸出，從而保證了功率的富余量。甲類(lèi)功率放大器的優(yōu)點(diǎn)是線性好、失真小，較好的噪聲系數(shù)，在1 dB壓縮點(diǎn)以下具有幾乎不失真的脈沖響應(yīng)，在不同輸出電平時(shí)的通帶起伏小和在不同輸出電平時(shí)的相位和增益不變，在第一級(jí)采用了甲類(lèi)工作狀態(tài)，以便獲得良好的線性。

3 末級(jí)功放管單管測(cè)試
    在試驗(yàn)PCB板上將功放管涂抹導(dǎo)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(cè)試電路，調(diào)試過(guò)程中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和輸出指標(biāo)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(yàn)測(cè)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(dá)到100 W時(shí)、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(dòng)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(jì)理論依據(jù)為，末級(jí)采用兩只功放管推挽輸出方式，理論上可實(shí)現(xiàn)功率為單管輸出功率的2倍，再折合效率80％，簡(jiǎn)單計(jì)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(jì)指標(biāo)中輸出功率要求，也滿足了互調(diào)指標(biāo)要求。

4 功放與濾波器的匹配
    一般常用小型號(hào)法設(shè)計(jì)匹配濾波器，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)諧波抑制。但在該次試驗(yàn)中，5．62～8．82 MHz波段不能完全實(shí)現(xiàn)有效的阻抗匹配。濾波器的小信號(hào)仿真指標(biāo)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(cuò)，但匹配后總體測(cè)試結(jié)果是頻率7 MHz插損大，效率大大降低，也嚴(yán)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(diǎn)到要求指標(biāo)。但8．6 MHz又出現(xiàn)同樣的阻抗失配，造成線性度嚴(yán)重降低。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的不斷試驗(yàn)和總結(jié)，也未能解決此問(wèn)題。一次試驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)功放輸出到濾波器輸入的射頻電纜長(zhǎng)度在某一確定值時(shí)，可實(shí)現(xiàn)此頻段的完全阻抗匹配，全頻段測(cè)試指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，仔細(xì)分析后測(cè)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(lái)射頻電纜在連接功放輸出與濾波器輸入的同時(shí)，對(duì)于此頻率相當(dāng)于串進(jìn)來(lái)一個(gè)電感和并聯(lián)了一個(gè)電容，于是改進(jìn)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(cè)試圖譜
    調(diào)試完成后，按照1 MHz的間隔測(cè)試1．6～29．999 9 MHz，指標(biāo)基本滿足設(shè)計(jì)要求，限于篇幅，選取其中的一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，對(duì)于輸出功率和互調(diào)指標(biāo)這兩個(gè)主要指標(biāo)的實(shí)際測(cè)試頻譜截圖如圖5、圖6所示，可看出此功放的實(shí)際測(cè)試情況。

    上述測(cè)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(cè)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(cè)試點(diǎn)均滿足功率放大器的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

6 功放設(shè)計(jì)注意的問(wèn)題
6．1 噪聲
    在設(shè)計(jì)高增益級(jí)聯(lián)功率放大器時(shí)，選用低噪聲功放管不但有利于功放的諧波和互調(diào)指標(biāo)，更有利于功放的穩(wěn)定工作。為了減小噪聲，第一級(jí)選用低噪聲晶體管。末級(jí)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(huì)引起功放自激振蕩。
6．2 效率
    在功放設(shè)計(jì)中，效率是一個(gè)很重要的指標(biāo)。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(jí)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(dǎo)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(shí)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(jì)高增益級(jí)聯(lián)功率放大器時(shí)，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(jí)數(shù)。該功放的效率在1．6～25 MHz幾乎達(dá)到了末級(jí)輸出功放管效率的50％，在同類(lèi)功放中效率比較高，從而工作狀態(tài)更可靠。

7 結(jié)語(yǔ)
    在低壓短波功率放大器的設(shè)計(jì)中，輸出滿足設(shè)計(jì)要求的功率和線性度是設(shè)計(jì)者應(yīng)予以重視的關(guān)鍵問(wèn)題，文中對(duì)于這個(gè)問(wèn)題具體實(shí)現(xiàn)措施進(jìn)行了探討，并詳細(xì)分析了短波功率放大器模塊的具體設(shè)計(jì)過(guò)程。通過(guò)樣機(jī)的實(shí)測(cè)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(jì)工程師作為參考。