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低压100 W短波功率放大器研究与设计

作者:廖伟,江燕,宋金华时间:2020-06-29来源:电子产品世界收藏

  廖 伟,江 燕,宋金华(同方电子科技有限公司,江西 九江 332100)

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

  摘 要:经过长期发展,形成了从几瓦至几十千瓦的系列化产品;通信距离可达几千公里,是超视距通信的重要手段。输出功率100 W的是较为常用的产品,适于便携以及车载等条件下使用。本文介绍的低压100 W采用全固态功率放大器设计技术,具有供电电压低、体积重量小、控制简单和性能优良等特点。工作频率为(1.6~30) MHz,正常工作电压范围为10~17 V,适应电池供电环境使用,拓展了产品的应用前景。

  关键词:短波功率放大器;

  0 引言

  短波通信主要通过电离层反射来进行远距离通信,或通过地波进行近距离传输。短波通信通过电离层反射来进行远距离通信,具有不易摧毁的特点,这是因为电离层不像电话线,或地面中继系统和卫星中继系统可能发生故障或被人为破坏。短波通信的这种无源中继通信具有抗毁能力和自主通信能力,成为无可替代的重要通信方式。

  短波功率放大器是实现短波通信的基础。依据不同的使用环境和通信距离可以选择几瓦至几十千瓦的短波功率放大器,其供电电压也是种类繁多。本文介绍的100 W短波功率放大器的应用场景较为广泛,具有典型的意义;而且由于采用额定工作电压+14。4 V,与市面上的蓄电池电压相符,更加拓宽了应用范围;另外,该短波功率放大器具有体积重量小、工作电压低和控制简单等特点。

  1 组成及原理

  1.1 组成

  短波功率放大器[1]采用推动放大器以及功率分配器和功率合成器等部分组成,具体电路组成框图如图1所示。

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  1.2 电路原理

  本文设计短波功率放大器包括三级放大、可控衰减器、功率分配和合成、功率检测和保护与偏置电路组成。模块总增益为46 dB左右,具体增益分配如图2所示。

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  本功率放大器具有闭环功率控制和驻波比保护功能,提高了功率放大器的适配性和可靠性。功率检测模块提供反馈信号,提供外部控制单元,从而实现稳定的功率输出;同时出现异常(如入射功率过大、反射功率过大等)时,内部保护电路进行硬件保护(切断功放偏置电压),动作时间为几十微秒,可有效保护设备安全。具体电路原理[1]如图3所示。

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  1.2.1 原理设计

  第一级推动放大采用HE315实现,其指标能够满足功率放大器要求。

  可控衰减器用于依据外部控制调节环路增益达到调整输出功率值。依据整体指标要求可以分析出该衰减器输入信号≤30 dBm,从而选取了PE43702芯片,该器件具有输入功率高、线性度好、体积小、控制简单、精度高、步进小等特点。

  第二级推动放大采用BLF245B功放管设计的推挽式功率放大器。该功放为对管封装产品,其对称性好,适合推挽放大器设计。其最高工作频率为175 MHz,最大输出功率30 W,能够满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/合成技术,优点是利用移相网络和魔T移相特性,可减小当负载异常时反射功率对功放管的影响,有效保护了功率放大器的安全。实物设计的技术参数如表1所示。

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  末级功放是功率放大器的关键模块,最终实现功率输出和指标性能主要取决于末级功放。采用的SR726功放管。该管能在+12.5 V供电条件下输出100 W射频功率,本功率放大器模块采用2只SR726合成输出100 W,能够较好地满足要求。

  保护与偏置电路作为功率放大器的辅助电路也是十分重要的,偏置电路完成第二级功率放大器和末级功率放大器的栅极上电工作,也就是功率放大器的启动工作。该电路反应时间直接关乎功率放大器的输出功率时间,是猝发通信的关键指标。保护电路分为温度保护电路、过功率保护电路和负载异常保护电路。保护电路最终控制都是第二级功率放大器和末级功率放大器的偏置电压,若出现异常则关断功率放大器以达到保护自身不被损坏的效果。该电路采用晶体三极管开关电路和“与门”电路实现功能。

  1.2.2 关键技术实现

  该功率放大器模块设计的关键有以下几个方面:

  1)各级模块的(1。6~30)MHz的宽带匹配;

  2)功率放大器输出变压器的设计;

黑龙江11选5      3)功率分配器/合成器的设计。

黑龙江11选5  功率放大器宽带匹配应用了两种形式。除第二级推动放大器和末级放大器外均采用电阻衰减网络进行阻抗校正,由于各模块输出阻抗均接近50 Ω,且信号较小采用该种方式简单;第二级推动放大器和末级放大器采用基于射频铁氧体设计[3]的传输线变压器实现宽带匹配,由于频段覆盖太宽从而对射频铁氧体的选择有一定要求,此处选择Fair-Rite Soft Ferrites公司的产品。

  依据图2所示和输出功率100 W要求,可以推算出第二级推动放大输出功率为2 W,末级放大器输出功率为112 W。通过式(1)[4]能够计算出功放管设计输出阻抗,从而确定输出变压器的匝数比。

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  经过计算第二级推动放大器的输出变压器器采用1:1的形式,对于特性阻抗50 Ω电路可以输出功率3 W左右,完全能够满足输出功率要求。

  经过计算末级放大器的输出变压器采用1:4的形式,功放管输出阻抗为3.125 Ω。当供电电压为+14.4 V时,理论计算输出功率可以达到66 W,推挽放大器双路输出可以达到132 W,能够满足设计要求。这样设计兼顾了功放效率和指标要求较为适宜。

  功率分配器/合成器采用的是正交技术,该技术将反射信号与入射信号差相使之降低失配时反射电压,提高功率放大器的可靠性。但是对于各通道的相位一致性提出了较高的要求,通过调整移相网络中的电感和电容,使各通道间的相位差保证在5°之内,若相位差异过大会增大功率分配器/合成器损耗,从而降低功率放大器模块指标。假设输入信号功率为P1和P2,相位为Φ1和Φ2,此时合成损耗通过式(2)[2]可以计算得到。

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  简单速查表如表2所示(△Φ为相位差、△P为功率差)。

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  2 技术实施

  2.1 实物设计

  依据设计目标和功率放大器自身特性,在设计和调试时需要注意以下问题:

  1)发热量很大,在设计时需将功率放大器安装在散热器上,并进行风机强制风冷;

  2)射频输出与输入避免接近引起正反馈自激;

  3)射频MOS管安装时避免静电击穿或损伤;

  4)电压和电流均较大,布板时注意安全间距和导线宽度;

  5)调试时逐级测试,利于调整指标和判断问题。

黑龙江11选5  单元设计的具体照片如图4所示。

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  2.2 实物测试指标

  依据上述设计,实物测试指标均达到设计目标,具体如表3所示。

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  3 设计目标

  1)频率:(1.6 ~30) MHz;

  2)输出功率:100 W±1 dB(PEP);

  3)互调失真:≥24 dB;

  4)总增益:46±0。5 dB;

  5)额定输入信号:+5 dBm;

  6)最大输入信号:+15 dBm;

  7)标称输入/出阻抗:50 Ω;

  8)输入驻波比:≤1.5;

  9)工作效率:35%;

黑龙江11选5  10)工作温度:-25~55 ℃。

  4 结语

  低压100 W短波功率放大器具有体积小、控制简单等特点,能够适应多种环境安装使用要求。随着电池技术的日益成熟,拓宽了该型低压短波功率放大器的使用领域,具有良好的市场前景。

  参考文献:

  [1] GREBENNIKOV A。射频与微波功率放大器设计[M]。张玉兴,赵宏飞,译。北京:电子工业出版社,2006。

  [2] 杜海旺.大功率固态功放功率合成器效率研究[J].科学技术与工程,2011,32(11).

  [3] 张纪纲.射频铁氧体宽带器件[M].北京:科学出版社,1986.

  [4] LUDWIG R,BOGDANOV G.射频电路设计:理论与应用[M].王子宇,王心悦,等译.2版.北京:电子工业出版社,2013.

  (注:本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第07期第73页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。)



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