VHF频段宽带功放设计

刘利光，杜 浩

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

随着微波通信和军事领域新标准新技术的发展，图像或大容量信息传输越来越普遍，而且也需要在有限的频带内传输更多的不同信息，这必然需要通信系统满足宽频带要求。这就对功率放大器的各项指标，如工作频带、线性度、增益平坦度、输出功率、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，或工作带宽不够，已难以满足通信系统的需求，故需设计一款较大功率的，宽频带的功率放大器。作为大功率模块，要求在较小的尺寸内实现宽频带内的大功率输出，它的设计是有一定难度的。

1 方案设计

本文设计的功率放大器的主要技术指标如下:频率:70 MHz～300 MHz;输出功率≥20 W;增益≥33 dB;增 益 平 坦 度 ±0．5 dB;三 阶 交 调≤－30 dBc。在VHF频带，考虑到高功率，高宽带和一定线性度的要求，选择了三级功放管级联的方式实现，它们分别是SEMELAB的D2002UK、D2004UK和D1008UK。整个电路需要系统提供一路28 V电源，一路8．5 V电源。

1．1 信号流程及增益分配

功率放大器的方案设计图及增益分配如图1所示，射频输入信号由第一级A1/D2002UK放大，信号电平由10 dBm放大到23 dBm，然后进入第二级放大器 A2/D2004UK，信号电平由23 dBm放大到33 dBm，功率约为1．5 W，最后进入到第三级放大器A3/D1008UK，信号电平由33 dBm放大到43 dBm，输出功率达到20 W。

图1 设计方案及增益分配图

1．2 各级功率放大器的基本设计思路

每一级功率放大器的设计均包括直流偏置电路和输入输出匹配电路。此三级功放管均为是N沟道增强型LDMOS管，根据器件资料需要在器件外部设计输入输出匹配电路。作为第三级即末级功放管，D1008UK的指标直接决定了此功率放大器的整体指标，因此D1008UK输入输出匹配非常重要。对于末级功率管D1008UK的设计采用了传输线变压器进行匹配，输入采用1∶4变压器，输出采用1∶9变压器设计［2］。由于工作频率覆盖多个倍频程，因此采用变压器匹配的同时采用并联负反馈技术来拓宽频带。

宽带电路中常采用电感来隔离交流信号。本次设计的电路中，三级功率管的栅极均存在门限电压，其栅极偏置是电位器分压之后通过插装高阻值电阻来馈电的。漏极偏置28 V是通过漆包线绕制的电感线圈来馈电的［3］。注意:在偏置电路的设计过程中要做好电源的滤波，尤其是漏极偏置是高电压，大电流，因此在滤波的时候要用到大容量的胆电容，偏置电路会对匹配电路产生影响，应该作为匹配电路的一部分来设计。

2 宽带匹配设计

根据射频理论，要实现最大的功率输出，必须要使负载阻抗和源阻抗相匹配，实现匹配的一般方法是在源和负载之间插入一个无源网络，这个网络成为匹配网络，它的用途是把给定的阻抗值变为其他更合适的阻抗值［4］。

2．1 同轴电缆变换器匹配

同轴电缆变换器可为射频功率放大器提供宽频带工作，同轴电缆变换器结构如图2所示。

图2 同轴电缆变换器结构图

同轴电缆变换器是由套上铁氧体磁芯的一段同轴电缆或同轴电缆直接绕在铁氧体磁芯上构成的。同轴电缆变换器的等效电路如图3所示，一般称为“巴仑(balun)”。由于它的实际结构，同轴电缆变换器的位置处于集中参数和分布参数之间。因此，在低频端，它的等效电路可用传统的低频变换器描述，而在较高频段，它是特性阻抗为Z0的传输线［5］。

图3 同轴电缆变换器等效电路图

2．2 宽带匹配电路设计

宽带放大器的匹配电路设计与窄带放大器有所不同，宽频带放大器电路结构主要可分为以下几种:平衡式放大器、反馈式放大器、行波式放大器、有损匹配式放大器和有源匹配式放大器等。以上这些宽带匹配电路设计各有优缺点，现将它们的性能做简单比较［6，7］，如表 1 所示。

表1 宽带匹配电路设计比较

负反馈结构又分为源极串联负反馈和漏极并联负反馈，综合考虑之后，选定了并联负反馈宽带放大器结构。并联负反馈可以减小功放管S参数的S11和S22的幅度，使得宽带匹配更容易实现，提高增益平坦度，尤其是能够增强低频段的稳定性;在改善增益平坦度的同时，也使放大器的输入输出驻波比得到改善，还可以降低晶体管参数的离散性对放大器特性的影响［8］。并联负反馈的增益是由反馈电阻决定，而不是功放管的S参数。其电路如图4所示，它的小信号电路的简化模型如图5所示。

图4 并联负反馈电路

图5 小信号电路

忽略源栅电容Cgs的影响，其S参数:

式中，Z0为特征阻抗，Rfb为并联负反馈电阻的阻值。

在理想匹配的情况下，S11=S22=0，即输入、输出 VSWR=1，则:

由式(2)可以看出，并联负反馈放大器的增益由Rfb决定，与频率无关［9］。这样可以通过并联负反馈电路来获得平坦的增益，拓宽放大器的带宽。

未采用宽带匹配设计时，放大器的增益曲线如图6所示。

图6 未采用宽带匹配设计时的增益曲线图

采用宽带匹配设计后，放大器的增益平坦度得到较大改善，如图7所示。

图7 经过宽带匹配设计改善后的增益曲线

由图7可知，采用并联负反馈电路之后，放大器的增益平坦度得到了很好的改善。

3 测试结果与分析

3．1 功放调试

功放的调试在整个功率放大器的设计过程中非常重要。调试的手段主要是调整匹配电路，偏置电路。通过调试使得功放的各个指标达到要求［10］。

功放调试时，首先对各级功率管的静态工作点进行调试。各功率管的静态工作点调试完毕后即可进行加激励调试。加激励调试时，必须逐级对功率管进行调试，第一级功率管调试完毕后方可进行第二级功率管的调试，依此类推。

3．2 测试结果

完成调试后，进行详细的指标测试，具体测试数据如表2所示。

表2 测试数据

3．3 结果分析

功率放大器的调试需要注意很多因素。首先要熟悉测试仪器的操作使用，其次要注意功放管的过流、过压和自激振荡。LDMOS管的栅极很容易发生静电击穿而导致器件损坏，因此在调试的时候注意防静电，在焊接时电烙铁保证接地良好，防止功放管损坏。通过认真的设计，仔细的调试，使得最终的功率放大器基本达到了预期的指标要求。

4 结束语

此次设计的70～300 MHz的功率放大器是根据系统需求而设计，难点在于在较小的体积和超宽频带内实现大功率输出。在电路的设计中，功率管的外围匹配电路布局非常重要，而且由于是大功率器件，需要充分考虑各级功率管之间的空间干扰及自激效应，必要时采用分腔结构设计或金属挡板隔离设计。确保各器件接地良好。通过对电路进行精心设计，合理选择器件，准确的仿真最终实现了该功率放大器，满足了系统的指标要求。通过此设计，总结出了一些大功率条件下的超宽带匹配电路的经验。

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