短波高線性射頻功率放大器

文丨馮小松

在短波發(fā)射機中，應(yīng)用典型的高功率放大器是行波管（TWT）放大器、速調(diào)管放大器、固態(tài)功率放大器（SSA）。每一種放大器都有能更好地滿足某一種用途的，另外一種放大器不具備的特性。放大器選擇標準主要是頻帶寬、波長、質(zhì)量、輸出功率、線性度和成本。行波管放大器的優(yōu)點在于它比其他放大器的工作頻率帶寬，典型帶寬為500MHz高脈沖率，輸出功率范圍在幾瓦特到幾千瓦特之間。缺點為高成本，相對于速調(diào)管和SSA來說操作較難。電子槍、慢波回路和繼電器是構(gòu)成TWT的主要元件。電子槍發(fā)射高密度電子束，電子束經(jīng)由加熱器到達回路表面。控制柵極通常被用作調(diào)節(jié)波束。一般地，螺旋線用在低波結(jié)構(gòu)上，輸人射頻波用在電子槍上，而輸出射頻則在集電極末端。在這個螺旋結(jié)構(gòu)中，能量傳輸發(fā)生在電子束到射頻能量之間。這個能量通過傳遞或放大使射頻波的速度從光速降低至電子束的速度。電子束在慢波回路中傳輸，消耗了自身的動能轉(zhuǎn)變成熱量釋放出去。

1 電路設(shè)計

一個采用2SK241GR構(gòu)成的83 MHz射頻小信號放大器電路如圖1所示。該電路的輸入阻抗為50Ω，輸出阻抗為50Ω，中心頻率為83 MHz，功率增益為20 dB（min），噪聲系數(shù)NF為3 dB（max），最大工作溫度為60℃，輸入帶寬和輸出帶寬為10 MHz，電源電壓為10 V。

圖1 短波高線性射頻功率放大器

通常繼電器約有0.3dB的功率損耗（在509系統(tǒng)中），但如果將繼電器電感作為諧振回路或匹配網(wǎng)絡(luò)元件的一部分，則繼電器的功率損耗可以減至最小。但是，這樣做會使繼電器電感限制匹配網(wǎng)絡(luò)的最高工作頻率。C3、C4為補償電容，其作用就是用來抵消功率管輸入、輸出阻抗中的電抗部分，使功率管輸入端呈現(xiàn)純阻RL，輸出端呈現(xiàn)純阻RS。這種補償只能在窄帶匹配時有效。在寬帶匹配時，C3、C4只能抵消功率管的部分電抗，此時功率管的基極和集電極仍屬于電感性的。

2 短波高線性射頻功率放大器的結(jié)構(gòu)分析

在射頻集成功率組件電路中，功放電路的輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)常用微帶結(jié)構(gòu)，其中輸入匹配網(wǎng)絡(luò)采用了一個直線律漸變線性的喇叭狀微帶線，進行從信源到功率管輸入端的阻抗變換。漸變線寬邊開口尺寸越大對應(yīng)其阻抗越低，Q值也越低，工作頻帶則越寬。漸變線兩端開口尺寸不同，其阻抗也就不同，這適合于進行阻抗變換。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)采用寬窄線不同交替連接的微帶型低通匹配網(wǎng)絡(luò)，窄線（高阻線）具有感抗性質(zhì)，寬線（低阻線）具有容抗性質(zhì)，兩者結(jié)合等效為一個LC低通濾波器（具體尺寸大小應(yīng)根據(jù)濾波器頻響要求，計算出各節(jié)微帶線的尺寸）。在功放集成組件中，除了功放電路微帶結(jié)構(gòu)和功率管貼片安裝外，其他元件幾乎都采用平面集中元件，常用的平面集中元件有平面電容、平面電感和平面電阻等。

2.1 注意防止輸出信號反饋至輸入電路。尤其應(yīng)該注意防止線圈彼此之間引起的耦合。為防止印刷電路板上線圈之間的電磁耦合，兩個線圈應(yīng)呈直角，并減小耦合系數(shù)。還可以采用立隔離板的方法。電路輸入回路的線圈L，采取平放安裝，輸出回路的線圈L。則豎立安裝，以使線圈彼此之間不致發(fā)生電磁耦合；并且采用豎起的0.1 mm的黃銅板（可以采用印制電路板）當作隔離板，用以防止經(jīng)由靜電電容所引起的耦合。

2.2 如果沒有此測試儀器，也可以采用自制的簡易型標準信號產(chǎn)生器，以及附有調(diào)諧電表的

FM收音機。為防止在調(diào)試時受到外來電波與噪聲等的影響，可以將射頻小信號放大器置于

由印刷電路板作成的隔離盒內(nèi)。本電路需要調(diào)整的元器件有可變電容器C1、C2和C3。

2.2.1 電路調(diào)試

首先，將C3的電容量旋置1／2位置，SSG的頻率設(shè)定為83 MHz，輸出電平設(shè)定為+20 dBμ，然后調(diào)整C1與C2，使電場強度指針擺動至最大。接著再調(diào)整3，使電場強度計的擺動為最大。然后逐步將SSG的輸出電平降低0～10 dBμ后再對C1、C2和C2做2～3次的反復(fù)調(diào)整。通過以上調(diào)整，可以使本電路功率增益與NF調(diào)整到一個比較理想的指標。

2.2.2 功率增益測試

首先，將SSG的輸出電平設(shè)定為0 dBμ，直接連接電場強度計，調(diào)整電場強度計的增益（GAIN）旋鈕，使電場強度計的衰減器也位于0 dBμ。

接著，調(diào)整電場強度計的衰減器，使其成為0 dBμ，此時衰減器當前值就是功率增益值。所制作射頻小信號放大器測得的功率增益為22～25 dB（@83 MHz）。

2.2.3 頻率特性的測試

改變頻率，分別求出各頻率的功率增益值，可以觀察其頻率特征響應(yīng)。頻帶響應(yīng)帶寬BW等于在中心頻率83 MHz的功率增益值下降3 dB的2個點間的頻率差。

輸入回路與輸出回路的頻帶寬分別設(shè)計為10 MHz。由于整個電路采用LC諧振回路，因此電路的整體選擇性指標Q會增高，使帶寬BW變窄。本電路在實際制作時，如果放大元器件使用CaAs型的FET，則可以使信噪比指標進一步提高。

傳輸線變壓器的兩種工作方式分別在不同的頻段起作用，在高頻率時，傳輸線模式起主要作用，此時初次級之間的能量傳輸主要依靠線圈之間分布電容的耦合作用；在低頻率時，變壓器模式起主要作用，初次級之間的能量傳輸主要依靠線圈的磁耦合作用。為了擴展低頻響應(yīng)范圍，應(yīng)該加大初級線圈的電感量，但同時線圈總長度又不能過大，因此采用高頻磁芯來解決圈數(shù)少，而初級線圈電感量又足夠大的問題。

[1] 韓紅波，郝躍，馮輝，任媛媛.用于雷達的LDMOS微波功率放大器設(shè)計[J]. 火控雷達技術(shù)，2007（01）

[2] 黃繼偉，王志功，廖英豪等.一種應(yīng)用于W-CDMA的單片InGaP/GaAs HBT功率放大器（英文）[J]. Journal of Southeast University（English Edition），2011（02）

[3] TIAN Liang，ZHOU Jin，HUANG Aibo，et al. A high linearity SiGe BICMOS power amplifier for2.4GHz wireless communi-cations. Microelectronics&Electronics . 2009

（國家廣播電影電視總局2021臺，黑龍江齊齊哈爾 161000）