低壓100 W短波功率放大器研究與設計

作者：廖偉，江燕，宋金華時間：2020-06-29 來源：電子產(chǎn)品世界

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　　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://butianyuan.cn/article/202006/414843.htm

　　摘要：經(jīng)過長期發(fā)展，短波功率放大器形成了從幾瓦至幾十千瓦的系列化產(chǎn)品；通信距離可達幾千公里，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(chǎn)品，適于便攜以及車載等條件下使用。本文介紹的低壓100 W短波功率放大器采用全固態(tài)功率放大器設計技術(shù)，具有供電電壓低、體積重量小、控制簡單和性能優(yōu)良等特點。工作頻率為(1.6~30) MHz，正常工作電壓范圍為10~17 V，適應電池供電環(huán)境使用，拓展了產(chǎn)品的應用前景。

　　關(guān)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(tǒng)和衛(wèi)星中繼系統(tǒng)可能發(fā)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(xiàn)短波通信的基礎。依據(jù)不同的使用環(huán)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；而且由于采用額定工作電壓+14.4 V，與市面上的蓄電池電壓相符，更加拓寬了應用范圍；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]采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(huán)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(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出；同時出現(xiàn)異常（如入射功率過大、反射功率過大等）時，內(nèi)部保護電路進行硬件保護（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

　　第一級推動放大采用HE315實現(xiàn)，其指標能夠滿足功率放大器要求。

　　可控衰減器用于依據(jù)外部控制調(diào)節(jié)環(huán)路增益達到調(diào)整輸出功率值。依據(jù)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芯片，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。

　　第二級推動放大采用BLF245B功放管設計的推挽式功率放大器。該功放為對管封裝產(chǎn)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]采用正交功率分配/合成技術(shù)，優(yōu)點是利用移相網(wǎng)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(shù)參數(shù)如表1所示。

　　末級功放是功率放大器的關(guān)鍵模塊，最終實現(xiàn)功率輸出和指標性能主要取決于末級功放。采用的SR726功放管。該管能在+12.5 V供電條件下輸出100 W射頻功率，本功率放大器模塊采用2只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(guān)乎功率放大器的輸出功率時間，是猝發(fā)通信的關(guān)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(xiàn)異常則關(guān)斷功率放大器以達到保護自身不被損壞的效果。該電路采用晶體三極管開關(guān)電路和“與門”電路實現(xiàn)功能。

　　1.2.2 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

　　該功率放大器模塊設計的關(guān)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采用電阻衰減網(wǎng)絡進行阻抗校正，由于各模塊輸出阻抗均接近50 Ω，且信號較小采用該種方式簡單；第二級推動放大器和末級放大器采用基于射頻鐵氧體設計[3]的傳輸線變壓器實現(xiàn)寬帶匹配，由于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(chǎn)品。

　　依據(jù)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(shù)比。

　　經(jīng)過計算第二級推動放大器的輸出變壓器器采用1:1的形式，對于特性阻抗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(jīng)過計算末級放大器的輸出變壓器采用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/合成器采用的是正交技術(shù)，該技術(shù)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。但是對于各通道的相位一致性提出了較高的要求，通過調(diào)整移相網(wǎng)絡中的電感和電容，使各通道間的相位差保證在5°之內(nèi)，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。