低壓100 W短波功率放大器研究與設計

2020-12-02 電子產品世界

　　廖 偉，江 燕，宋金華（同方電子科技有限公司，江西 九江 332100）

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202006/414843.htm

　　摘 要：經過長期發展，短波功率放大器形成了從幾瓦至幾十千瓦的系列化產品；通信距離可達幾千公裡，是超視距通信的重要手段。輸出功率100 W的短波功率放大器是較為常用的產品，適於便攜以及車載等條件下使用。本文介紹的低壓100 W短波功率放大器採用全固態功率放大器設計技術，具有供電電壓低、體積重量小、控制簡單和性能優良等特點。工作頻率為(1.6~30) MHz，正常工作電壓範圍為10~17 V，適應電池供電環境使用，拓展了產品的應用前景。

　　關鍵詞：短波功率放大器；短波功率分配器；短波功率合成器

　　0 引言

　　短波通信主要通過電離層反射來進行遠距離通信，或通過地波進行近距離傳輸。短波通信通過電離層反射來進行遠距離通信，具有不易摧毀的特點，這是因為電離層不像電話線，或地面中繼系統和衛星中繼系統可能發生故障或被人為破壞。短波通信的這種無源中繼通信具有抗毀能力和自主通信能力，成為無可替代的重要通信方式。

　　短波功率放大器是實現短波通信的基礎。依據不同的使用環境和通信距離可以選擇幾瓦至幾十千瓦的短波功率放大器，其供電電壓也是種類繁多。本文介紹的100 W短波功率放大器的應用場景較為廣泛，具有典型的意義；而且由於採用額定工作電壓+14.4 V，與市面上的蓄電池電壓相符，更加拓寬了應用範圍；另外，該短波功率放大器具有體積重量小、工作電壓低和控制簡單等特點。

　　1 組成及原理

　　1.1 組成

　　短波功率放大器[1]採用推動放大器以及功率分配器和功率合成器等部分組成，具體電路組成框圖如圖1所示。

　　1.2 電路原理

　　本文設計短波功率放大器包括三級放大、可控衰減器、功率分配和合成、功率檢測和保護與偏置電路組成。模塊總增益為46 dB左右，具體增益分配如圖2所示。

　　本功率放大器具有閉環功率控制和駐波比保護功能，提高了功率放大器的適配性和可靠性。功率檢測模塊提供反饋信號，提供外部控制單元，從而實現穩定的功率輸出；同時出現異常（如入射功率過大、反射功率過大等）時，內部保護電路進行硬體保護（切斷功放偏置電壓），動作時間為幾十微秒，可有效保護設備安全。具體電路原理[1]如圖3所示。

　　1.2.1 原理設計

　　第一級推動放大採用HE315實現，其指標能夠滿足功率放大器要求。

　　可控衰減器用於依據外部控制調節環路增益達到調整輸出功率值。依據整體指標要求可以分析出該衰減器輸入信號≤30 dBm，從而選取了PE43702晶片，該器件具有輸入功率高、線性度好、體積小、控制簡單、精度高、步進小等特點。

　　第二級推動放大採用BLF245B功放管設計的推挽式功率放大器。該功放為對管封裝產品，其對稱性好，適合推挽放大器設計。其最高工作頻率為175 MHz，最大輸出功率30 W，能夠滿足功率放大器的需求。

　　功率分配器和功率合成器[2]採用正交功率分配/合成技術，優點是利用移相網絡和魔T移相特性，可減小當負載異常時反射功率對功放管的影響，有效保護了功率放大器的安全。實物設計的技術參數如表1所示。

　　末級功放是功率放大器的關鍵模塊，最終實現功率輸出和指標性能主要取決於末級功放。採用的SR726功放管。該管能在+12.5 V供電條件下輸出100 W射頻功率，本功率放大器模塊採用2隻SR726合成輸出100 W，能夠較好地滿足要求。

　　保護與偏置電路作為功率放大器的輔助電路也是十分重要的，偏置電路完成第二級功率放大器和末級功率放大器的柵極上電工作，也就是功率放大器的啟動工作。該電路反應時間直接關乎功率放大器的輸出功率時間，是猝發通信的關鍵指標。保護電路分為溫度保護電路、過功率保護電路和負載異常保護電路。保護電路最終控制都是第二級功率放大器和末級功率放大器的偏置電壓，若出現異常則關斷功率放大器以達到保護自身不被損壞的效果。該電路採用晶體三極體開關電路和「與門」電路實現功能。

　　1.2.2 關鍵技術實現

　　該功率放大器模塊設計的關鍵有以下幾個方面：

　　1)各級模塊的（1.6~30）MHz的寬帶匹配；

　　2)功率放大器輸出變壓器的設計；

　　    3)功率分配器/合成器的設計。

　　功率放大器寬帶匹配應用了兩種形式。除第二級推動放大器和末級放大器外均採用電阻衰減網絡進行阻抗校正，由於各模塊輸出阻抗均接近50 Ω，且信號較小採用該種方式簡單；第二級推動放大器和末級放大器採用基於射頻鐵氧體設計[3]的傳輸線變壓器實現寬帶匹配，由於頻段覆蓋太寬從而對射頻鐵氧體的選擇有一定要求，此處選擇Fair-Rite Soft Ferrites公司的產品。

　　依據圖2所示和輸出功率100 W要求，可以推算出第二級推動放大輸出功率為2 W，末級放大器輸出功率為112 W。通過式(1)[4]能夠計算出功放管設計輸出阻抗，從而確定輸出變壓器的匝數比。

　　經過計算第二級推動放大器的輸出變壓器器採用1:1的形式，對於特性阻抗50 Ω電路可以輸出功率3 W左右，完全能夠滿足輸出功率要求。

　　經過計算末級放大器的輸出變壓器採用1:4的形式，功放管輸出阻抗為3.125 Ω。當供電電壓為+14.4 V時，理論計算輸出功率可以達到66 W，推挽放大器雙路輸出可以達到132 W，能夠滿足設計要求。這樣設計兼顧了功放效率和指標要求較為適宜。

　　功率分配器/合成器採用的是正交技術，該技術將反射信號與入射信號差相使之降低失配時反射電壓，提高功率放大器的可靠性。但是對於各通道的相位一致性提出了較高的要求，通過調整移相網絡中的電感和電容，使各通道間的相位差保證在5°之內，若相位差異過大會增大功率分配器/合成器損耗，從而降低功率放大器模塊指標。假設輸入信號功率為P1和P2，相位為Φ1和Φ2，此時合成損耗通過式(2)[2]可以計算得到。

　　簡單速查表如表2所示（△Φ為相位差、△P為功率差）。

　　2 技術實施

　　2.1 實物設計

　　依據設計目標和功率放大器自身特性，在設計和調試時需要注意以下問題：

　　1）發熱量很大，在設計時需將功率放大器安裝在散熱器上，並進行風機強制風冷；

　　2）射頻輸出與輸入避免接近引起正反饋自激；

　　3）射頻MOS管安裝時避免靜電擊穿或損傷；

　　4）電壓和電流均較大，布板時注意安全間距和導線寬度；

　　5）調試時逐級測試，利於調整指標和判斷問題。

　　單元設計的具體照片如圖4所示。

　　2.2 實物測試指標

　　依據上述設計，實物測試指標均達到設計目標，具體如表3所示。

　　3 設計目標

　　1）頻率：（1.6 ~30） MHz；

　　2）輸出功率：100 W±1 dB（PEP）；

　　3）互調失真：≥24 dB；

　　4）總增益：46±0.5 dB；

　　5）額定輸入信號：+5 dBm；

　　6）最大輸入信號：+15 dBm；

　　7）標稱輸入/出阻抗：50 Ω；

　　8）輸入駐波比：≤1.5；

　　9）工作效率：35%；

　　10）工作溫度：-25～55 ℃。

　　4 結語

　　低壓100 W短波功率放大器具有體積小、控制簡單等特點，能夠適應多種環境安裝使用要求。隨著電池技術的日益成熟，拓寬了該型低壓短波功率放大器的使用領域，具有良好的市場前景。

　　參考文獻：

　　[1] GREBENNIKOV A.射頻與微波功率放大器設計[M].張玉興,趙宏飛，譯.北京:電子工業出版社,2006.

　　[2] 杜海旺.大功率固態功放功率合成器效率研究[J].科學技術與工程,2011,32(11).

　　[3] 張紀綱.射頻鐵氧體寬帶器件[M].北京:科學出版社,1986.

　　[4] LUDWIG R,BOGDANOV G.射頻電路設計：理論與應用[M].王子宇,王心悅,等譯.2版.北京:電子工業出版社,2013.

　　（註：本文來源於科技期刊《電子產品世界》2020年第07期第73頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。）

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