一種短波高效功放設(shè)計(jì)

摘 要：該文介紹一種短波高效功放的設(shè)計(jì)方法，首先介紹該設(shè)計(jì)的應(yīng)用背景，然后根據(jù)實(shí)際使用需求給出總體設(shè)計(jì)方案，隨后詳細(xì)介紹功放動(dòng)態(tài)高效能技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方法，最后通過(guò)實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的有效性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：短波;功率放大器;效率;包絡(luò);靜態(tài)工作點(diǎn)

中圖分類號(hào)： TN837 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）30-0108-04

Abstract： This paper introduces a design method for a shortwave high-efficiency power amplifier. First， it introduces the application background of the design， and then gives the overall design plan according to actual use needs. Then， it introduces in detail the specific implementation method of the dynamic high-efficiency technology of the power amplifier. Finally， it verifies the effectiveness and practicality of the design through practical tests.

Keywords： shortwave; power amplifier; efficiency; envelope; static operating point

短波發(fā)射機(jī)承擔(dān)著短波通信的信號(hào)發(fā)射重任，是短波通信系統(tǒng)的重要組成部分[1-2]。由于使用條件所限，大功率短波發(fā)射機(jī)一般需要長(zhǎng)期部署于無(wú)人值守的發(fā)信臺(tái)，具備頻繁換頻和長(zhǎng)時(shí)間在線工作的功能，為系統(tǒng)提供高可靠的短波發(fā)信資源。本文就是在此背景下，以400 W短波發(fā)射機(jī)為例，介紹一種實(shí)現(xiàn)短波高效功放的設(shè)計(jì)方法，使其具備長(zhǎng)期可靠工作的功能，滿足系統(tǒng)常態(tài)化保障需求，降低維護(hù)保障需求，并在實(shí)際測(cè)試中得到了良好的驗(yàn)證。

1 總體設(shè)計(jì)方案

短波高效功放的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：由傳統(tǒng)的整機(jī)效率典型值30%提升到不小于40%。對(duì)于400 W短波發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō)，功率放大器是功耗最大的模塊，其工作效率決定了整機(jī)的工作效率，同時(shí)影響整機(jī)的電源消耗和熱散耗。功放管的工作電流和工作溫度影響其可靠性水平，功率放大器工作效率提升直接帶動(dòng)了整機(jī)可靠性提升。因此，發(fā)射機(jī)采用功放動(dòng)態(tài)高效能技術(shù)提高整機(jī)可靠性。

功放動(dòng)態(tài)高效能技術(shù)是指通過(guò)識(shí)別發(fā)射機(jī)不同工作模式、基帶信號(hào)特性和輸出功率等級(jí)，然后動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功率放大器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的工作點(diǎn)[3]，在保證發(fā)射指標(biāo)要求的同時(shí)，又能使其工作效率也處在一個(gè)較高水平的一種技術(shù)。系統(tǒng)采用功放動(dòng)態(tài)高效能技術(shù)后，功率放大器及其核心的功放管處于一個(gè)較為穩(wěn)定的理想負(fù)荷狀態(tài)，功率放大器的整體可靠性也因優(yōu)化了工作點(diǎn)和工作負(fù)荷從而得到提升，信號(hào)質(zhì)量和工作效率達(dá)到一個(gè)較為完美的平衡。功放動(dòng)態(tài)高效能技術(shù)包括動(dòng)態(tài)包絡(luò)跟蹤技術(shù)和靜態(tài)工作點(diǎn)適應(yīng)性調(diào)節(jié)兩項(xiàng)技術(shù)。

功放模塊以功率放大器[4]為核心，其外圍電路主要包括狀態(tài)檢測(cè)電路、保護(hù)電路和控制電路幾部分。其中狀態(tài)檢測(cè)電路包括輸入輸出功率、輸入電壓電流和溫度檢測(cè);保護(hù)電路有輸入功率限制、電源供電切斷和功放使能切斷措施;控制接受激勵(lì)模塊的狀態(tài)控制信號(hào)和檢測(cè)電路的信號(hào)，通過(guò)硬件的判定，進(jìn)行功放狀態(tài)設(shè)置、硬件保護(hù)和狀態(tài)上報(bào)工作。總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 動(dòng)態(tài)包絡(luò)跟蹤技術(shù)

當(dāng)線性功放[5-6]工作在甲乙類推挽狀態(tài)時(shí)，有

， （1）

式中：Vop為輸出電壓峰值，其輸出功率為

電源功耗為

可得效率

由式（3）可知，當(dāng)輸出功率Po一定時(shí)，輸出的峰值電壓Vop也就確定了。由式（4）可知，電源功耗在Vop一定的情況下只和供電電壓Vcc有關(guān)系，Vcc越大，Pv就越大，Vcc越小，Pv就越小，功率放大器的效率也就越高，如圖2所示。

由式（5）可知，功率放大器的效率和功放的輸出電壓峰值及功率放大器的供電電壓有關(guān)，當(dāng)Vop一定時(shí)，功率放大器的效率隨著供電電壓Vcc的增大而減小，當(dāng)Vcc滿足Vop驅(qū)動(dòng)需求時(shí)，Vcc越小則功率放大器的效率就越高。

當(dāng)功率放大器進(jìn)行非連續(xù)波的放大時(shí)，其波形峰值隨機(jī)變化，如圖3所示。

圖3上半部分為傳統(tǒng)功率放大器的供電電源（功放管漏電壓）和熱散耗情況，下半部分為加入包絡(luò)跟蹤技術(shù)后的功率放大器的電源供電和熱散耗情況。由此可見(jiàn)，當(dāng)功放管的漏極電壓跟隨信號(hào)包絡(luò)波形趨勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，并滿足功率放大驅(qū)動(dòng)需求時(shí)，可以大大降低功率放大器的熱散耗功率，從而提高功率放大器的效率。

由于需保證功率放大器的非線性，功率放大器一般工作于一定的功率回退狀態(tài)。表1為在通過(guò)公式計(jì)算的推挽放大器理論最大效率和在有無(wú)包絡(luò)跟蹤技術(shù)的功率回退3 dB時(shí)的效率以及在輸出峰包功率400 W時(shí)的功耗值。

在本文的設(shè)計(jì)中，控制電路根據(jù)發(fā)射機(jī)不同工作模式、基帶信號(hào)特性和輸出功率等級(jí)設(shè)定供電電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)整范圍即電壓最大值和電壓最小值。數(shù)字化激勵(lì)器輸出的基帶包絡(luò)信號(hào)通過(guò)硬件電路對(duì)峰值范圍調(diào)整，由于基帶包絡(luò)已經(jīng)過(guò)自動(dòng)增益控制，所以只需基帶包絡(luò)的峰值平移到電壓最大值上即可。經(jīng)過(guò)峰值范圍調(diào)整的控制包絡(luò)信號(hào)再與設(shè)定的電壓最小值進(jìn)行混合處理，將控制包絡(luò)信號(hào)小于電壓最小值的部分使用電壓最小值代替，即得到控制電源電壓輸出的線性控制信號(hào)。該部分過(guò)程如圖4所示。

2.2 靜態(tài)工作點(diǎn)適應(yīng)性調(diào)節(jié)技術(shù)

對(duì)于功率放大器來(lái)說(shuō)，每個(gè)輸出功率狀態(tài)在針對(duì)某個(gè)指標(biāo)時(shí)都有一個(gè)最優(yōu)的靜態(tài)工作狀態(tài)，這就是功放管的靜態(tài)工作點(diǎn)。當(dāng)功率放大器的工作在邊帶包絡(luò)工作模式時(shí)，輸出的功率就會(huì)隨時(shí)間的變化而變化。如果能夠針對(duì)功率放大器的實(shí)時(shí)輸出功率狀態(tài)同步調(diào)節(jié)功放管的實(shí)時(shí)靜態(tài)工作點(diǎn)，那么將能保證功放管一直工作在這個(gè)效率最優(yōu)的狀態(tài)。功放管輸出特性曲線如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，柵源電壓UGS越大，漏極電流ID就越大，預(yù)夾斷所需電壓UDS也越大，當(dāng)功放管工作在放大區(qū)時(shí)，選擇越大的UGS，漏極電流ID就越大，功放管的耗散功率就越大。當(dāng)功率放大器輸出功率一定時(shí)，選擇不同的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電流，功率放大器的輸出效率也就不同，因此需要根據(jù)功放管的直流特性選擇一組隨著功率放大器功率變化而變化的靜態(tài)工作點(diǎn)，從而保證效率最高。

如圖6所示，假設(shè)功率放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)在Q點(diǎn)，功率耗散為PC，當(dāng)電壓為Uom1時(shí)，輸出功率為

效率則為

當(dāng)電壓為Uom2時(shí)，輸出功率為

效率則為

由式（6）和式（7）可以知道，當(dāng)輸出功率Po1比Po2大時(shí)，效率η1比η2小。這說(shuō)明當(dāng)輸出功率改變時(shí)，如果靜態(tài)工作點(diǎn)不改變，那么功率放大器的效率也是跟著變化的。因此靜態(tài)工作點(diǎn)適應(yīng)性調(diào)節(jié)就是在功率放大器輸出功率改變時(shí)，同步改變功放管的靜態(tài)工作點(diǎn)，減少功率放大器的耗散功率PC，以此來(lái)保持較高的效率。

設(shè)定功率放大器的最大供電電壓為Umax，理論上電源包絡(luò)的理想最小值Umin應(yīng)為0 V。實(shí)際上由于Umax與Umin的比值越大，電源所能實(shí)現(xiàn)的整體效率越低，而且由于電源輸出內(nèi)阻的存在，導(dǎo)致無(wú)法在小輸出電壓下提供穩(wěn)定的大電流。同時(shí)，功放管寄生特性會(huì)隨供電電壓的下降幅度急劇惡化，如圖7所示，其中Ciss為輸入電容，Coss為輸出電容，Crss為反向傳輸電容。綜合上述條件，將Umin設(shè)置為1/2Umax可以達(dá)到較為理想效果。

在以上設(shè)計(jì)中，需對(duì)電源調(diào)整擺率和響應(yīng)時(shí)間做出相應(yīng)的要求。電壓擺率可由下式算得

SR=2πUp f， （8）

式中：UP為電壓擺動(dòng)峰值，即功率放大器的最大供電電壓減去最小供電電壓，當(dāng)前設(shè)計(jì)值為25 V;f為工作頻率，當(dāng)f以MHz為單位時(shí)，電壓擺率SR的單位為V/μs。按音頻包絡(luò)帶寬3 kHz計(jì)算得出SR=2π×25×0.003≈0.48 V/μs。

電源對(duì)包絡(luò)變化的響應(yīng)延時(shí)會(huì)造成射頻信號(hào)包絡(luò)與電源包絡(luò)的相位不一致，即射頻包絡(luò)上升沿供電不足，而下降沿供電過(guò)剩。按包絡(luò)周期330 μs（3 kHz）計(jì)算，電源延時(shí)產(chǎn)生的相位差應(yīng)做到5°左右較理想，則響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于4.5 μs。

3 結(jié)論

選取具有代表性的頻點(diǎn)對(duì)使用動(dòng)態(tài)高效能技術(shù)的400 W短波發(fā)射機(jī)開(kāi)展了測(cè)試驗(yàn)證工作，具體結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，功放高效能技術(shù)的應(yīng)用使400 W短波發(fā)射機(jī)整機(jī)效率由原先30%的典型值提高到40%左右，平均提升約8%～10%，且在全部工作頻段內(nèi)具有較小的波動(dòng)，實(shí)用效果達(dá)到預(yù)期，可用于新一代低功耗、高可靠短波發(fā)射機(jī)研制。

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作者簡(jiǎn)介：李宗強(qiáng)（1982-），男，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)闊o(wú)線通信。