UHF大功率功放模塊設計的新方法

劉繼林

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

UHF大功率功放模塊設計的新方法

劉繼林

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

針對OFDM信號對功放高峰值功率的要求,提出了工作在220～400 MHz的大功率功放模塊設計的新方法。該方法結合ADS軟件仿真分析,按仿真模型用QFX86射頻同軸電纜自制了功率分配/合成網絡,用該網絡設計了一款輸出峰值功率不小于300 W的功放模塊。該模塊已成功應用于某電臺中且工作良好。

OFDM;大功率功放;功率分配/合成網絡;溫度補償電路;ADS仿真

1 引 言

在無線通信系統中,功放模塊是必不可少的一個重要組成部分。隨著OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)[1-2]技術的快速發展,功放模塊的發展也面臨著巨大挑戰。因為,OFDM調制信號存在很高的峰均比,在某個時刻,多個子載波以同一個方向相加,就會產生很大的峰值,從而要求功放模塊內的功率放大器具有很大的線性動態區域。否則,當信號峰值進入放大器的飽和區域時,就會使接收信號產生嚴重畸變,產生子載波之間的互調干擾和帶外輻射,破壞子載波之間的正交性,惡化系統性能。實驗證明,滿足系統通信要求誤碼率條件下的峰均比為5～6 dB,按60 W載波設計,功放模塊的線性動態功率至少為240 W。在現有工藝水平下,國外元器件生產商(Polyfet公司、M/A-COM 公司等)生產的UHF頻段的功率管功率輸出等級為150 W左右,所以,功放模塊必須采用功率合成才能滿足大于240 W的功率要求。本文介紹的方案分別以金屬柵RF硅FET作為驅動級和末級放大,采用功率分配/合成網絡和傳輸線變壓器阻抗變換網絡相結合的方法,結合ADS對合成網絡仿真,研制出了用于220～400MHz連續波輸出功率大于300 W的高功率功放模塊。

2 設計方案

本方案功放模塊的原理框圖見圖1。由于篇幅所限,本文只詳細介紹功率放大部分的設計和ADS仿真,對功放的其他電路(如濾波器、耦合器、控制保護電路等)就不作介紹了。

圖1 功放模塊原理框圖Fig.1 Functional block diagram of PA module

該功放工作的狀態為連續波,功率放大部分的主要技術指標如下:頻率范圍為220～400MHz,激勵電平為33 dBm(驅動級的輸入電平),輸出功率大于等于300W(54.8 dBm)。

功率放大部分設計的關鍵在于靜態工作點溫度補償電路和功率分配/合成網絡,而功率分配/合成網絡又是整個功放模塊的核心。本文主要從這兩個方面加以介紹和分析。

按技術指標要求,功率放大部分的信道增益約22 dB,可分兩級放大完成,分配/合成網絡用同軸電纜繞制,增益分配:驅動級13 dB,末級10 dB,分配/合成網絡的損耗約為0.5 dB。

2.1 驅動級

驅動級選用美國Polyfet公司的大功率VDMOS管SQ701,SQ701最大柵極電壓20 V,漏極擊穿電壓70 V,最大漏極電流6.5 A,在 200～400 MHz功率增益不小于13 dB,輸入功率33 dBm,輸出功率可達40 W以上。電路采用平衡/不平衡變換網絡和4∶1的阻抗變換網絡的匹配方式,IDQ設置為1 A。

2.2 分配/合成網絡

分配/合成網絡采用的是用同軸電纜繞制的寬帶同相分配/合成網絡,每根同軸線的長度相等,都小于λ/4。

2.3 末級

末級選用美國M/A-COM公司的N溝道增強型大功率MOSFET管UF28150J,最大柵極電壓20 V,漏極擊穿電壓60 V,最大漏極電流28 A,在220～400MHz功率增益不小于10 dB,輸入功率43 dBm,輸出功率可達150 W以上。電路采用平衡/不平衡變換網絡和4∶1的阻抗變換網絡的匹配方式,IDQ設置為1 A。

3 溫度補償電路分析

驅動級和末級選用的功率放大管均為FET管,FET器件對工作溫度是很敏感的,其特性有強烈的溫度依賴性[3-5]。工作在AB類,在工作點附近具有正的溫度特性,IDQ變化會影響系統的增益、效率和線性等指標,其中又以線性影響最大。因此,在工作中維持功率管(特別是大功率管)IDQ恒定是功放設計的關鍵點之一。設計方案中驅動級和末級的直流偏置電路包含溫度補償電路,它利用BJT管發射結正向壓降Vbe具有負的溫度系數工作原理,在飽和工作狀態,對于硅管dVbe/dT=-2.0 mV/℃。利用發射結的這個特性可實現溫度補償,電路如圖2所示。

圖2 溫度補嘗電路Fig.2 Temperature compensation circuit

當IR4>>IB時(計算時可以取10倍關系),對于該電路有

當溫度變化1℃時,Vd的變化量為

約等于LDMOS管的溫度變化系數,試驗驗證R4=1.5 kΨ、R5=2.2 kΨ時可以得到比較穩定的靜態工作電流。

4 ADS仿真分析

4.1 仿真模型

在仿真過程中,先后設計了幾種不同形式的分配/合成網絡模型,有同相的和反相的。以本方案采用的同相分配/合成網絡性能最佳,仿真模型見圖3。由于篇幅有限,此處對這種網絡不作理論分析,僅給出仿真模型供參考。

圖3 同相分配/合成網絡仿真模型Fig.3 Same-phase distribution/synthesis network simulation model

4.2 ADS仿真分析

按照仿真模型,對網絡中的變量TL1、TL2、TL3和TL4進行了優化仿真分析,參數設置:Start=200 MHz,Stop=520MHz,Step=1MHz,Tem2=Tem3=25 Ψ,Tem1=50 Ψ;R1=50 Ψ。

變量優化結果:TL1=TL2=TL3=TL4=85 mm(特性阻抗50 Ψ),S參數仿真結果見圖4～6。

圖4 傳輸特性Fig.4 Transmission characteristics

圖5 反射特性Fig.5 Reflection Characteristics

圖6 隔離特性Fig.6 Isolation characteristics

仿真結果表明,該種網絡具有插入損耗小、反射小和隔離度高等優點。按該模型制作的同相分配/合成網絡,實際性能接近仿真結果。

5 設計結果

按ADS仿真模型,用QFX86射頻同軸電纜自制了分配/合成網絡;用美國 M/A-COM公司的UF28150J在聚四氟乙烯板材(板厚1.6 mm)上完成功率合成,設計了符合要求的功率放大模塊,在-55℃～+70℃的溫度范圍內能穩定工作。測試條件:驅動級激勵電平33 dBm,供電電源+28 V,室溫25℃。飽和功率測試結果見表 1。由表 1可知,在 220～400MHz的頻率范圍內,功率合成部分的最小輸出功率為325W(55.1 dBm),滿足大于300 W(54.8 dBm)的預期指標要求。

表1 輸出功率測試結果Table 1 Result of output power test

6 結束語

通過對合成網絡的模型設計和ADS仿真分析,自制了功率合成的關鍵部件功率分配/合成網絡,用該網絡成功研制出一款大功率功放模塊,彌補了大功率功放模塊設計的空白。用該網絡設計的功放模塊具有頻帶寬、功率高、性能穩定、溫度適應范圍寬等特點,能夠滿足電臺在OFDM通信體制下60 W載波功率的使用需求。

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LIU Ji-lin was born in Huaibei,Anhui Province,in 1977.He received the B.S.degree from Lanzhou University in 2001.He is now an engineer.His research concerns the development and design of U/V power amplifier of radio.

Email:liujl@swiet.com.cn

A Novel Design Method for UHF High Power Amplifier Module

LIU Ji-lin
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

According to the requirement of high peak power of Power Amplifier(PA)for OFDM signal,a novel design method for high power amplifier operating at 220～400 MHz is proposed.Based on the simulation analysis by ADS software,QFX86 Radio Frequency(RF)coaxial cable is used to build up a power distribution/synthesis network and this network is employed to develop a PA module with peak power no less than 300 W.This module has been successfully applied in a radio set and it perferms well.

OFDM;high power amplifier;power distribution/synthesis network;temperature compensation circuit;ADS simulation

TN722

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.032

1001-893X(2012)06-0988-04

2011-11-23;

2012-03-07

劉繼林(1977—),男,安徽淮北人,2001年于蘭州大學獲理學學士學位,現為工程師,主要從事通信電臺U/V功放研究和設計工作。