182007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设计
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。
关键词:功率放大器 功率增益 宽频带 传输线变压器
Abstract:Inthedesignofbroadbandamplificationelectriccircuit,oftentobandsmoothcharacteristicofthepower-plusisatthe-de2signnotonlycontainsthegainplusandtheefficiency-switchingspeedandsizeandindicatedthat,thisamplifieris,the,andthisamplifierhassuc2ords power-plusbroadband transmissionlinetransformer
:TN722
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CD2MA、LMDS、WLAN等无线通信系统均对功率放
1 设计方案
111 主要技术指标
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。
工作频段:30～90MHz;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
成都电子机械高等专科学校学报 2007年第3期
CHENGDUELECTROMECHANICALCOLLEGE2007年9月总第40期
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
19
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1 原理框图
11312 匹配电路
应)。,=4∶2∶在射频匹配电路的设计中,除了通常采用的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的匹配网络时,,。,。如,系统的功率增益不能达到最大。如果出现严重不匹配,有可能导致放大电路不再满足稳定工作条件,而演变为一个振荡电路。为此需要设计良好的匹配电路,同时引入负反馈来尽量展宽工作带宽。负反馈的引入也可以设计成具有特定的频率响应,使低端反馈强,高端反馈弱,从而弥补功放管高低端增益具有很大差别的缺陷。通过从所选用功率管的手册中查到相应的S参数,利用软件进行仿真设计,计算出匹配电路各器件的参数范围,以加快功放的调试过程。
11313 传输线变压器的设计
磁环,当传送功率较大时,。这是由于磁环的磁通,在功率较大时会出现饱和,以致大信号时等效L下降,功率送不过去。变压器的一般规律是磁
饱和频率越低越严重,所以功率效验要在低频限上进行。在校核功率容量时,首先要根据所用材料的H—B曲线选定饱和磁通密度BM,BM要选
择在曲线弯曲部稍前(如图2所示),根据这一点相应的HM值得出传送至次级的功率。
传输线变压器另一重要作用就是进行平衡和非平衡的变换。例如,三极管的共射、共基放大电路及三极管的差分放大电路的输入和输出端口就是平衡和非平衡的。
11314 直流偏置电路
在射频放大电路的设计中,容易忽视直流偏置电路的设计。如果直流偏置电路设计不当,会影响射频放大电路的功率增益、噪声系数,甚至会导致放大电路的不稳定。直流偏置电路包括有源偏置电路和无源偏置电路两种。通常需要根据特定电路的需要,进行有针对性的偏置电路的设计。在直流偏置电路的设计中,电路的稳定性是一个非常重要的指标。
11315 ALC及BLK控制电路
ALC自动增益控制电路是一个闭环的控制
利用传输线阻抗变换器来完成高阻的信号源或负载与低阻的功率管输入端或输出端之间的阻抗匹配,可以最大限度的利用功率管本身的带宽潜能。传输线变压器在设计使用上有两点必须注意,一是源阻抗、负载阻抗和传输线阻抗的匹配关系;二是输入端和输出端在规定的连接及接地方式下应用。因此,在设计中,采用了1∶1传输线变
压器,且用高μ低耗的高频磁环(为了得到宽带响
202007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BLK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
。
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30MHz～43MHz、43MHz～62MHz、62MHz～90MHz。且滤波器设计成低通的椭圆滤波器。以62MHz～90MHz为例,滤波器的设计原理图如图3所示
。
图3 62MHz-90MHz滤波器原理图
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,当一段滤,,。为,,当6 高通滤波器
接收通道30MHz高通要求带外抑制小于等于50dBm(≤20MHz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
。
图2 114。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
图4 高通滤波器原理图
117 定向耦合器
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
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
。
于等于-52dBm。
由于功放的频段范围是30MHz～90MHz,低
图5 定向耦合器
成都电子机械高等专科学校学报 2007年第3期
CHENGDUELECTROMECHANICALCOLLEGE2007年9月总第40期
118 温度补偿电路
21
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
),电路如图6所示
。25℃
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
θ阻RJC,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。
2 测试
211 波段测试
,利用。图6 温度补偿电路
119 散热问题
下表
,图7
第三频段滤波器测试图
表1 三频段测试参数
指标频率反射插损阻抗
单位
MHzdBmdBmdBm
图8 高通滤波器测试图
要求
30-90
30MHz-43MHz3023011248
3724012055
[1**********]9
43MHz-62MHz[1**********]417
[1**********]
[1**********]3
62MHz-90MHz6224011249
7421012550
9021012259
≤-16≤013≤-55
222007年第3期 巫丛平 刘静霞:5W射频宽带功率放大器的设计
212 温度补偿电路测试
),对功在温度变化范围内(-40℃—+65℃真和测试,各项技术指标达到和超过设计要求,性
能稳定可靠,已成功运用于实践。
率管的栅压进行调整。测试参数如下表2。
表2 温度增益测试参数
温度栅压
-45℃2105
30℃2120
70℃2140
参考文献
[1]晏泽昕12-30MHZ宽带大功率放大器
测试结果表明,本产品完全达到设计要求,符合相关标准和规范,而且工作稳定、性能可靠。可
应用于通讯、广播等系统。
的研究与实现[D]1成都:电子科技大学,2004.
[2]杨庆瑞李灿1射频功率放大器的线性华技术[A]1西南电子技术研究所,2001年电磁场与微波技术交流会论文集[C]12001142-451
[3]姚建铨1射频通信电路设计[M]1北京:
4 结束语
大功率宽带射频功率放大器设计的难度主要体现在宽带和功率状态运行上,所以选择合适的有源器件与电路效率的提高是很重要的,本文还性。,科学出版社,2005.
[4]ReinholdLudwigPavelBretchko.RFCir2cuitDesignTheoryand].BeiJing:of刘静霞为通信工程系讲师
(上接第25页)价值将被逐渐发挥出来。在未来[1]游战清.李苏剑等.无线射频识别技术(RFID)理论与应用[M].电子工业出版社.2004.
[2]田雪.射频识别市场发展的两层面分析[J].自动识别技术与应用,2004(3).
本文作者为通信工程系教师
的社会,RFID将无处不在。
参考文献
182007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设计
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。
关键词:功率放大器 功率增益 宽频带 传输线变压器
Abstract:Inthedesignofbroadbandamplificationelectriccircuit,oftentobandsmoothcharacteristicofthepower-plusisatthe-de2signnotonlycontainsthegainplusandtheefficiency-switchingspeedandsizeandindicatedthat,thisamplifieris,the,andthisamplifierhassuc2ords power-plusbroadband transmissionlinetransformer
:TN722
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CD2MA、LMDS、WLAN等无线通信系统均对功率放
1 设计方案
111 主要技术指标
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。
工作频段:30～90MHz;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
成都电子机械高等专科学校学报 2007年第3期
CHENGDUELECTROMECHANICALCOLLEGE2007年9月总第40期
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
19
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1 原理框图
11312 匹配电路
应)。,=4∶2∶在射频匹配电路的设计中,除了通常采用的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的匹配网络时,,。,。如,系统的功率增益不能达到最大。如果出现严重不匹配,有可能导致放大电路不再满足稳定工作条件,而演变为一个振荡电路。为此需要设计良好的匹配电路,同时引入负反馈来尽量展宽工作带宽。负反馈的引入也可以设计成具有特定的频率响应,使低端反馈强,高端反馈弱,从而弥补功放管高低端增益具有很大差别的缺陷。通过从所选用功率管的手册中查到相应的S参数,利用软件进行仿真设计,计算出匹配电路各器件的参数范围,以加快功放的调试过程。
11313 传输线变压器的设计
磁环,当传送功率较大时,。这是由于磁环的磁通,在功率较大时会出现饱和,以致大信号时等效L下降,功率送不过去。变压器的一般规律是磁
饱和频率越低越严重,所以功率效验要在低频限上进行。在校核功率容量时,首先要根据所用材料的H—B曲线选定饱和磁通密度BM,BM要选
择在曲线弯曲部稍前(如图2所示),根据这一点相应的HM值得出传送至次级的功率。
传输线变压器另一重要作用就是进行平衡和非平衡的变换。例如,三极管的共射、共基放大电路及三极管的差分放大电路的输入和输出端口就是平衡和非平衡的。
11314 直流偏置电路
在射频放大电路的设计中,容易忽视直流偏置电路的设计。如果直流偏置电路设计不当,会影响射频放大电路的功率增益、噪声系数,甚至会导致放大电路的不稳定。直流偏置电路包括有源偏置电路和无源偏置电路两种。通常需要根据特定电路的需要,进行有针对性的偏置电路的设计。在直流偏置电路的设计中,电路的稳定性是一个非常重要的指标。
11315 ALC及BLK控制电路
ALC自动增益控制电路是一个闭环的控制
利用传输线阻抗变换器来完成高阻的信号源或负载与低阻的功率管输入端或输出端之间的阻抗匹配,可以最大限度的利用功率管本身的带宽潜能。传输线变压器在设计使用上有两点必须注意,一是源阻抗、负载阻抗和传输线阻抗的匹配关系;二是输入端和输出端在规定的连接及接地方式下应用。因此,在设计中,采用了1∶1传输线变
压器,且用高μ低耗的高频磁环(为了得到宽带响
202007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BLK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
。
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30MHz～43MHz、43MHz～62MHz、62MHz～90MHz。且滤波器设计成低通的椭圆滤波器。以62MHz～90MHz为例,滤波器的设计原理图如图3所示
。
图3 62MHz-90MHz滤波器原理图
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,当一段滤,,。为,,当6 高通滤波器
接收通道30MHz高通要求带外抑制小于等于50dBm(≤20MHz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
。
图2 114。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
图4 高通滤波器原理图
117 定向耦合器
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
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
。
于等于-52dBm。
由于功放的频段范围是30MHz～90MHz,低
图5 定向耦合器
成都电子机械高等专科学校学报 2007年第3期
CHENGDUELECTROMECHANICALCOLLEGE2007年9月总第40期
118 温度补偿电路
21
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
),电路如图6所示
。25℃
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
θ阻RJC,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。
2 测试
211 波段测试
,利用。图6 温度补偿电路
119 散热问题
下表
,图7
第三频段滤波器测试图
表1 三频段测试参数
指标频率反射插损阻抗
单位
MHzdBmdBmdBm
图8 高通滤波器测试图
要求
30-90
30MHz-43MHz3023011248
3724012055
[1**********]9
43MHz-62MHz[1**********]417
[1**********]
[1**********]3
62MHz-90MHz6224011249
7421012550
9021012259
≤-16≤013≤-55
222007年第3期 巫丛平 刘静霞:5W射频宽带功率放大器的设计
212 温度补偿电路测试
),对功在温度变化范围内(-40℃—+65℃真和测试,各项技术指标达到和超过设计要求,性
能稳定可靠,已成功运用于实践。
率管的栅压进行调整。测试参数如下表2。
表2 温度增益测试参数
温度栅压
-45℃2105
30℃2120
70℃2140
参考文献
[1]晏泽昕12-30MHZ宽带大功率放大器
测试结果表明,本产品完全达到设计要求,符合相关标准和规范,而且工作稳定、性能可靠。可
应用于通讯、广播等系统。
的研究与实现[D]1成都:电子科技大学,2004.
[2]杨庆瑞李灿1射频功率放大器的线性华技术[A]1西南电子技术研究所,2001年电磁场与微波技术交流会论文集[C]12001142-451
[3]姚建铨1射频通信电路设计[M]1北京:
4 结束语
大功率宽带射频功率放大器设计的难度主要体现在宽带和功率状态运行上,所以选择合适的有源器件与电路效率的提高是很重要的,本文还性。,科学出版社,2005.
[4]ReinholdLudwigPavelBretchko.RFCir2cuitDesignTheoryand].BeiJing:of刘静霞为通信工程系讲师
(上接第25页)价值将被逐渐发挥出来。在未来[1]游战清.李苏剑等.无线射频识别技术(RFID)理论与应用[M].电子工业出版社.2004.
[2]田雪.射频识别市场发展的两层面分析[J].自动识别技术与应用,2004(3).
本文作者为通信工程系教师
的社会,RFID将无处不在。
参考文献