VHF頻段寬帶功放設(shè)計(jì)

劉利光，杜 浩

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

隨著微波通信和軍事領(lǐng)域新標(biāo)準(zhǔn)新技術(shù)的發(fā)展，圖像或大容量信息傳輸越來越普遍，而且也需要在有限的頻帶內(nèi)傳輸更多的不同信息，這必然需要通信系統(tǒng)滿足寬頻帶要求。這就對(duì)功率放大器的各項(xiàng)指標(biāo)，如工作頻帶、線性度、增益平坦度、輸出功率、效率和可靠性等提出了更高的要求［1］。以前的功率放大器或功率不足，或工作帶寬不夠，已難以滿足通信系統(tǒng)的需求，故需設(shè)計(jì)一款較大功率的，寬頻帶的功率放大器。作為大功率模塊，要求在較小的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬頻帶內(nèi)的大功率輸出，它的設(shè)計(jì)是有一定難度的。

1 方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)如下:頻率:70 MHz～300 MHz;輸出功率≥20 W;增益≥33 dB;增 益 平 坦 度 ±0．5 dB;三 階 交 調(diào)≤－30 dBc。在VHF頻帶，考慮到高功率，高寬帶和一定線性度的要求，選擇了三級(jí)功放管級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)，它們分別是SEMELAB的D2002UK、D2004UK和D1008UK。整個(gè)電路需要系統(tǒng)提供一路28 V電源，一路8．5 V電源。

1．1 信號(hào)流程及增益分配

功率放大器的方案設(shè)計(jì)圖及增益分配如圖1所示，射頻輸入信號(hào)由第一級(jí)A1/D2002UK放大，信號(hào)電平由10 dBm放大到23 dBm，然后進(jìn)入第二級(jí)放大器 A2/D2004UK，信號(hào)電平由23 dBm放大到33 dBm，功率約為1．5 W，最后進(jìn)入到第三級(jí)放大器A3/D1008UK，信號(hào)電平由33 dBm放大到43 dBm，輸出功率達(dá)到20 W。

圖1 設(shè)計(jì)方案及增益分配圖

1．2 各級(jí)功率放大器的基本設(shè)計(jì)思路

每一級(jí)功率放大器的設(shè)計(jì)均包括直流偏置電路和輸入輸出匹配電路。此三級(jí)功放管均為是N溝道增強(qiáng)型LDMOS管，根據(jù)器件資料需要在器件外部設(shè)計(jì)輸入輸出匹配電路。作為第三級(jí)即末級(jí)功放管，D1008UK的指標(biāo)直接決定了此功率放大器的整體指標(biāo)，因此D1008UK輸入輸出匹配非常重要。對(duì)于末級(jí)功率管D1008UK的設(shè)計(jì)采用了傳輸線變壓器進(jìn)行匹配，輸入采用1∶4變壓器，輸出采用1∶9變壓器設(shè)計(jì)［2］。由于工作頻率覆蓋多個(gè)倍頻程，因此采用變壓器匹配的同時(shí)采用并聯(lián)負(fù)反饋技術(shù)來拓寬頻帶。

寬帶電路中常采用電感來隔離交流信號(hào)。本次設(shè)計(jì)的電路中，三級(jí)功率管的柵極均存在門限電壓，其柵極偏置是電位器分壓之后通過插裝高阻值電阻來饋電的。漏極偏置28 V是通過漆包線繞制的電感線圈來饋電的［3］。注意:在偏置電路的設(shè)計(jì)過程中要做好電源的濾波，尤其是漏極偏置是高電壓，大電流，因此在濾波的時(shí)候要用到大容量的膽電容，偏置電路會(huì)對(duì)匹配電路產(chǎn)生影響，應(yīng)該作為匹配電路的一部分來設(shè)計(jì)。

2 寬帶匹配設(shè)計(jì)

根據(jù)射頻理論，要實(shí)現(xiàn)最大的功率輸出，必須要使負(fù)載阻抗和源阻抗相匹配，實(shí)現(xiàn)匹配的一般方法是在源和負(fù)載之間插入一個(gè)無源網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)成為匹配網(wǎng)絡(luò)，它的用途是把給定的阻抗值變?yōu)槠渌线m的阻抗值［4］。

2．1 同軸電纜變換器匹配

同軸電纜變換器可為射頻功率放大器提供寬頻帶工作，同軸電纜變換器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 同軸電纜變換器結(jié)構(gòu)圖

同軸電纜變換器是由套上鐵氧體磁芯的一段同軸電纜或同軸電纜直接繞在鐵氧體磁芯上構(gòu)成的。同軸電纜變換器的等效電路如圖3所示，一般稱為“巴侖(balun)”。由于它的實(shí)際結(jié)構(gòu)，同軸電纜變換器的位置處于集中參數(shù)和分布參數(shù)之間。因此，在低頻端，它的等效電路可用傳統(tǒng)的低頻變換器描述，而在較高頻段，它是特性阻抗為Z0的傳輸線［5］。

圖3 同軸電纜變換器等效電路圖

2．2 寬帶匹配電路設(shè)計(jì)

寬帶放大器的匹配電路設(shè)計(jì)與窄帶放大器有所不同，寬頻帶放大器電路結(jié)構(gòu)主要可分為以下幾種:平衡式放大器、反饋式放大器、行波式放大器、有損匹配式放大器和有源匹配式放大器等。以上這些寬帶匹配電路設(shè)計(jì)各有優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)將它們的性能做簡單比較［6，7］，如表 1 所示。

表1 寬帶匹配電路設(shè)計(jì)比較

負(fù)反饋結(jié)構(gòu)又分為源極串聯(lián)負(fù)反饋和漏極并聯(lián)負(fù)反饋，綜合考慮之后，選定了并聯(lián)負(fù)反饋寬帶放大器結(jié)構(gòu)。并聯(lián)負(fù)反饋可以減小功放管S參數(shù)的S11和S22的幅度，使得寬帶匹配更容易實(shí)現(xiàn)，提高增益平坦度，尤其是能夠增強(qiáng)低頻段的穩(wěn)定性;在改善增益平坦度的同時(shí)，也使放大器的輸入輸出駐波比得到改善，還可以降低晶體管參數(shù)的離散性對(duì)放大器特性的影響［8］。并聯(lián)負(fù)反饋的增益是由反饋電阻決定，而不是功放管的S參數(shù)。其電路如圖4所示，它的小信號(hào)電路的簡化模型如圖5所示。

圖4 并聯(lián)負(fù)反饋電路

圖5 小信號(hào)電路

忽略源柵電容Cgs的影響，其S參數(shù):

式中，Z0為特征阻抗，Rfb為并聯(lián)負(fù)反饋電阻的阻值。

在理想匹配的情況下，S11=S22=0，即輸入、輸出 VSWR=1，則:

由式(2)可以看出，并聯(lián)負(fù)反饋放大器的增益由Rfb決定，與頻率無關(guān)［9］。這樣可以通過并聯(lián)負(fù)反饋電路來獲得平坦的增益，拓寬放大器的帶寬。

未采用寬帶匹配設(shè)計(jì)時(shí)，放大器的增益曲線如圖6所示。

圖6 未采用寬帶匹配設(shè)計(jì)時(shí)的增益曲線圖

采用寬帶匹配設(shè)計(jì)后，放大器的增益平坦度得到較大改善，如圖7所示。

圖7 經(jīng)過寬帶匹配設(shè)計(jì)改善后的增益曲線

由圖7可知，采用并聯(lián)負(fù)反饋電路之后，放大器的增益平坦度得到了很好的改善。

3 測試結(jié)果與分析

3．1 功放調(diào)試

功放的調(diào)試在整個(gè)功率放大器的設(shè)計(jì)過程中非常重要。調(diào)試的手段主要是調(diào)整匹配電路，偏置電路。通過調(diào)試使得功放的各個(gè)指標(biāo)達(dá)到要求［10］。

功放調(diào)試時(shí)，首先對(duì)各級(jí)功率管的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試。各功率管的靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)試完畢后即可進(jìn)行加激勵(lì)調(diào)試。加激勵(lì)調(diào)試時(shí)，必須逐級(jí)對(duì)功率管進(jìn)行調(diào)試，第一級(jí)功率管調(diào)試完畢后方可進(jìn)行第二級(jí)功率管的調(diào)試，依此類推。

3．2 測試結(jié)果

完成調(diào)試后，進(jìn)行詳細(xì)的指標(biāo)測試，具體測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測試數(shù)據(jù)

3．3 結(jié)果分析

功率放大器的調(diào)試需要注意很多因素。首先要熟悉測試儀器的操作使用，其次要注意功放管的過流、過壓和自激振蕩。LDMOS管的柵極很容易發(fā)生靜電擊穿而導(dǎo)致器件損壞，因此在調(diào)試的時(shí)候注意防靜電，在焊接時(shí)電烙鐵保證接地良好，防止功放管損壞。通過認(rèn)真的設(shè)計(jì)，仔細(xì)的調(diào)試，使得最終的功率放大器基本達(dá)到了預(yù)期的指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

此次設(shè)計(jì)的70～300 MHz的功率放大器是根據(jù)系統(tǒng)需求而設(shè)計(jì)，難點(diǎn)在于在較小的體積和超寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)大功率輸出。在電路的設(shè)計(jì)中，功率管的外圍匹配電路布局非常重要，而且由于是大功率器件，需要充分考慮各級(jí)功率管之間的空間干擾及自激效應(yīng)，必要時(shí)采用分腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或金屬擋板隔離設(shè)計(jì)。確保各器件接地良好。通過對(duì)電路進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，合理選擇器件，準(zhǔn)確的仿真最終實(shí)現(xiàn)了該功率放大器，滿足了系統(tǒng)的指標(biāo)要求。通過此設(shè)計(jì)，總結(jié)出了一些大功率條件下的超寬帶匹配電路的經(jīng)驗(yàn)。

［1］ 雷振亞．射頻/微波電路導(dǎo)論［M］．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005：33 －35．

［2］ Inder Bahl［美］，鄭新譯．微波固態(tài)電路設(shè)計(jì)(第2版)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2006：127 －172，260 －276．

［3］ Andrei Grebennikov［美］．射頻與微波功率放大器設(shè)計(jì)［M］．張玉興，趙宏飛，譯．北京：電子工業(yè)出版社，2007：201 －205．

［4］ 黃謀輝．射頻功率放大器的研究與設(shè)計(jì)［D］．北京：北京郵電大學(xué)，2007：27 －29．

［5］ 陳惠開．寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的理論與設(shè)計(jì)［M］．北京：人民郵電出版，1982：194 －240．

［6］ 李宗謙，余京兆，高葆新．微波工程基礎(chǔ)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2004：173 －187．

［7］ 陳邦媛．射頻通信電路［M］．北京：科學(xué)出版社，2002：67－87．

［8］ 李軍．射頻功率放大器的線性化技術(shù)［J］．世界電子元器件，2003，23(7)：37 －38．

［9］ 王先富，牛忠霞．微波寬帶放大器的設(shè)計(jì)與EDA仿真［J］．無線電通信技術(shù)，2005，31(1)：51 －53．

［10］殷素杰．8 GHz/125 W固態(tài)功放的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．無線電工程，2005，35(7)：62 －64．