短波寬帶低壓功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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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。