VHF頻段寬帶功放設計

劉利光，杜 浩

(中國電子科技集團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域新標準新技術的發展，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傳輸更多的不同信息，這必然需要通信系統滿足寬頻帶要求。這就對功率放大器的各項指標，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的需求，故需設計一款較大功率的，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實現寬頻帶內的大功率輸出，它的設計是有一定難度的。

1 方案設計

本文設計的功率放大器的主要技術指標如下: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≤－30 dBc。在VHF頻帶，考慮到高功率，高寬帶和一定線性度的要求，選擇了三級功放管級聯的方式實現，它們分別是SEMELAB的D2002UK、D2004UK和D1008UK。整個電路需要系統提供一路28 V電源，一路8．5 V電源。

1．1 信號流程及增益分配

功率放大器的方案設計圖及增益分配如圖1所示，射頻輸入信號由第一級A1/D2002UK放大，信號電平由10 dBm放大到23 dBm，然后進入第二級放大器 A2/D2004UK，信號電平由23 dBm放大到33 dBm，功率約為1．5 W，最后進入到第三級放大器A3/D1008UK，信號電平由33 dBm放大到43 dBm，輸出功率達到20 W。

圖1 設計方案及增益分配圖

1．2 各級功率放大器的基本設計思路

每一級功率放大器的設計均包括直流偏置電路和輸入輸出匹配電路。此三級功放管均為是N溝道增強型LDMOS管，根據器件資料需要在器件外部設計輸入輸出匹配電路。作為第三級即末級功放管，D1008UK的指標直接決定了此功率放大器的整體指標，因此D1008UK輸入輸出匹配非常重要。對于末級功率管D1008UK的設計采用了傳輸線變壓器進行匹配，輸入采用1∶4變壓器，輸出采用1∶9變壓器設計［2］。由于工作頻率覆蓋多個倍頻程，因此采用變壓器匹配的同時采用并聯負反饋技術來拓寬頻帶。

寬帶電路中常采用電感來隔離交流信號。本次設計的電路中，三級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:在偏置電路的設計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，因此在濾波的時候要用到大容量的膽電容，偏置電路會對匹配電路產生影響，應該作為匹配電路的一部分來設計。

2 寬帶匹配設計

根據射頻理論，要實現最大的功率輸出，必須要使負載阻抗和源阻抗相匹配，實現匹配的一般方法是在源和負載之間插入一個無源網絡，這個網絡成為匹配網絡，它的用途是把給定的阻抗值變為其他更合適的阻抗值［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，同軸電纜變換器結構如圖2所示。

圖2 同軸電纜變換器結構圖

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)”。由于它的實際結構，同軸電纜變換器的位置處于集中參數和分布參數之間。因此，在低頻端，它的等效電路可用傳統的低頻變換器描述，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 寬帶匹配電路設計

寬帶放大器的匹配電路設計與窄帶放大器有所不同，寬頻帶放大器電路結構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計各有優缺點，現將它們的性能做簡單比較［6，7］，如表 1 所示。

表1 寬帶匹配電路設計比較

負反饋結構又分為源極串聯負反饋和漏極并聯負反饋，綜合考慮之后，選定了并聯負反饋寬帶放大器結構。并聯負反饋可以減小功放管S參數的S11和S22的幅度，使得寬帶匹配更容易實現，提高增益平坦度，尤其是能夠增強低頻段的穩定性;在改善增益平坦度的同時，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的離散性對放大器特性的影響［8］。并聯負反饋的增益是由反饋電阻決定，而不是功放管的S參數。其電路如圖4所示，它的小信號電路的簡化模型如圖5所示。

圖4 并聯負反饋電路

圖5 小信號電路

忽略源柵電容Cgs的影響，其S參數:

式中，Z0為特征阻抗，Rfb為并聯負反饋電阻的阻值。

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，并聯負反饋放大器的增益由Rfb決定，與頻率無關［9］。這樣可以通過并聯負反饋電路來獲得平坦的增益，拓寬放大器的帶寬。

未采用寬帶匹配設計時，放大器的增益曲線如圖6所示。

圖6 未采用寬帶匹配設計時的增益曲線圖

采用寬帶匹配設計后，放大器的增益平坦度得到較大改善，如圖7所示。

圖7 經過寬帶匹配設計改善后的增益曲線

由圖7可知，采用并聯負反饋電路之后，放大器的增益平坦度得到了很好的改善。

3 測試結果與分析

3．1 功放調試

功放的調試在整個功率放大器的設計過程中非常重要。調試的手段主要是調整匹配電路，偏置電路。通過調試使得功放的各個指標達到要求［10］。

功放調試時，首先對各級功率管的靜態工作點進行調試。各功率管的靜態工作點調試完畢后即可進行加激勵調試。加激勵調試時，必須逐級對功率管進行調試，第一級功率管調試完畢后方可進行第二級功率管的調試，依此類推。

3．2 測試結果

完成調試后，進行詳細的指標測試，具體測試數據如表2所示。

表2 測試數據

3．3 結果分析

功率放大器的調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管的柵極很容易發生靜電擊穿而導致器件損壞，因此在調試的時候注意防靜電，在焊接時電烙鐵保證接地良好，防止功放管損壞。通過認真的設計，仔細的調試，使得最終的功率放大器基本達到了預期的指標要求。

4 結束語

此次設計的70～300 MHz的功率放大器是根據系統需求而設計，難點在于在較小的體積和超寬頻帶內實現大功率輸出。在電路的設計中，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，需要充分考慮各級功率管之間的空間干擾及自激效應，必要時采用分腔結構設計或金屬擋板隔離設計。確保各器件接地良好。通過對電路進行精心設計，合理選擇器件，準確的仿真最終實現了該功率放大器，滿足了系統的指標要求。通過此設計，總結出了一些大功率條件下的超寬帶匹配電路的經驗。

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