低壓100 W短波功率放大器研究與設(shè)計(jì)

作者：廖偉，江燕，宋金華時(shí)間：2020-06-29 來(lái)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(guò)長(zhǎng)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(dá)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(chē)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(shè)計(jì)技術(shù)，具有供電電壓低、體積重量小、控制簡(jiǎn)單和性能優(yōu)良等特點(diǎn)。工作頻率為(1.6~30) MHz，正常工作電壓范圍為10~17 V，適應(yīng)電池供電環(huán)境使用，拓展了產(chǎn)品的應(yīng)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(guò)電離層反射來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，或通過(guò)地波進(jìn)行近距離傳輸。短波通信通過(guò)電離層反射來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，具有不易摧毀的特點(diǎn)，這是因?yàn)殡婋x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(wú)源中繼通信具有抗毀能力和自主通信能力，成為無(wú)可替代的重要通信方式。

　　短波功率放大器是實(shí)現(xiàn)短波通信的基礎(chǔ)。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(lèi)繁多。本文介紹的100 W短波功率放大器的應(yīng)用場(chǎng)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(yīng)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(jiǎn)單等特點(diǎn)。

　　1 組成及原理

　　1.1 組成

　　短波功率放大器^[1]采用推動(dòng)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(shè)計(jì)短波功率放大器包括三級(jí)放大、可控衰減器、功率分配和合成、功率檢測(cè)和保護(hù)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(hù)功能，提高了功率放大器的適配性和可靠性。功率檢測(cè)模塊提供反饋信號(hào)，提供外部控制單元，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出；同時(shí)出現(xiàn)異常（如入射功率過(guò)大、反射功率過(guò)大等）時(shí)，內(nèi)部保護(hù)電路進(jìn)行硬件保護(hù)（切斷功放偏置電壓），動(dòng)作時(shí)間為幾十微秒，可有效保護(hù)設(shè)備安全。具體電路原理^[1]如圖3所示。

　　1.2.1 原理設(shè)計(jì)

　　第一級(jí)推動(dòng)放大采用HE315實(shí)現(xiàn)，其指標(biāo)能夠滿(mǎn)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(dá)到調(diào)整輸出功率值。依據(jù)整體指標(biāo)要求可以分析出該衰減器輸入信號(hào)≤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(jiǎn)單、精度高、步進(jìn)小等特點(diǎn)。

　　第二級(jí)推動(dòng)放大采用BLF245B功放管設(shè)計(jì)的推挽式功率放大器。該功放為對(duì)管封裝產(chǎn)品，其對(duì)稱(chēng)性好，適合推挽放大器設(shè)計(jì)。其最高工作頻率為175 MHz，最大輸出功率30 W，能夠滿(mǎn)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(diǎn)是利用移相網(wǎng)絡(luò)和魔T移相特性，可減小當(dāng)負(fù)載異常時(shí)反射功率對(duì)功放管的影響，有效保護(hù)了功率放大器的安全。實(shí)物設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

　　末級(jí)功放是功率放大器的關(guān)鍵模塊，最終實(shí)現(xiàn)功率輸出和指標(biāo)性能主要取決于末級(jí)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(mǎn)足要求。

　　保護(hù)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(jí)功率放大器和末級(jí)功率放大器的柵極上電工作，也就是功率放大器的啟動(dòng)工作。該電路反應(yīng)時(shí)間直接關(guān)乎功率放大器的輸出功率時(shí)間，是猝發(fā)通信的關(guān)鍵指標(biāo)。保護(hù)電路分為溫度保護(hù)電路、過(guò)功率保護(hù)電路和負(fù)載異常保護(hù)電路。保護(hù)電路最終控制都是第二級(jí)功率放大器和末級(jí)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(dá)到保護(hù)自身不被損壞的效果。該電路采用晶體三極管開(kāi)關(guān)電路和“與門(mén)”電路實(shí)現(xiàn)功能。

　　1.2.2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

　　該功率放大器模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵有以下幾個(gè)方面：

　　1)各級(jí)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(shè)計(jì)；

　　 3)功率分配器/合成器的設(shè)計(jì)。

　　功率放大器寬帶匹配應(yīng)用了兩種形式。除第二級(jí)推動(dòng)放大器和末級(jí)放大器外均采用電阻衰減網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行阻抗校正，由于各模塊輸出阻抗均接近50 Ω，且信號(hào)較小采用該種方式簡(jiǎn)單；第二級(jí)推動(dòng)放大器和末級(jí)放大器采用基于射頻鐵氧體設(shè)計(jì)[3]的傳輸線變壓器實(shí)現(xiàn)寬帶匹配，由于頻段覆蓋太寬從而對(duì)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(jí)推動(dòng)放大輸出功率為2 W，末級(jí)放大器輸出功率為112 W。通過(guò)式(1)^[4]能夠計(jì)算出功放管設(shè)計(jì)輸出阻抗，從而確定輸出變壓器的匝數(shù)比。

　　經(jīng)過(guò)計(jì)算第二級(jí)推動(dòng)放大器的輸出變壓器器采用1:1的形式，對(duì)于特性阻抗50 Ω電路可以輸出功率3 W左右，完全能夠滿(mǎn)足輸出功率要求。

　　經(jīng)過(guò)計(jì)算末級(jí)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(dāng)供電電壓為+14.4 V時(shí)，理論計(jì)算輸出功率可以達(dá)到66 W，推挽放大器雙路輸出可以達(dá)到132 W，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。這樣設(shè)計(jì)兼顧了功放效率和指標(biāo)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(hào)與入射信號(hào)差相使之降低失配時(shí)反射電壓，提高功率放大器的可靠性。但是對(duì)于各通道的相位一致性提出了較高的要求，通過(guò)調(diào)整移相網(wǎng)絡(luò)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(guò)大會(huì)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(biāo)。假設(shè)輸入信號(hào)功率為P1和P2，相位為Φ1和Φ2，此時(shí)合成損耗通過(guò)式(2)^[2]可以計(jì)算得到。