50w寬帶功放設計

1、50W寬帶射頻功放設計,30MHz～512MHz,一、射頻功放在通信設備中的地位,射頻功放模塊是通信設備中最重要的射頻部件，它通過將無線射頻信號功率進行高效率、高線性放大使無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)容量和覆蓋的有效提高，通信設備的通信距離和能源耗量都與功放息息相關。據(jù)中興估計，在整個無線通訊設備成本構(gòu)成來看，功率放大器的成本比例約占35%左右。,BLF888,BLF578,功放模塊,二、射頻功率放大器常見類型,按照工作頻帶分類A、窄帶功率放大

2、器 帶寬為中心頻率的10％或更低B、寬帶功率放大器 在幾個倍頻程到十倍頻程的寬頻帶范圍內(nèi)都具有基本平坦頻響曲線的放大器C、超寬帶功率放大器 大于10倍頻程,按照匹配網(wǎng)絡的性質(zhì),A、非諧振功率放大器 B、諧振功率放大器,按照工作狀態(tài),A、線性功率放大器 B、非線性功率放大器,按照電流的導通角θ的不同,在信號周期一周內(nèi)，管子導通角度的一半定義為導通角θA類B類AB類C類有工作

3、在開關狀態(tài)的 D 類和 E 類功率放大器；目前還有另外一類高效率功率放大器，即 F 類、G 類和 H 類,A類功率放大器,B類功率放大器,C類功率放大器,三、主要設計指標,工作頻率30MHz～512MHz輸出功率50W（47dBm）輸入信號20～25dBm其他,BLF573、MRFE6VP6300H,功放模塊是射頻功率放大部件，在保證線形的情況下提供一定的功率輸出，其最重要的部分為末級功放管，可以說功放模塊性能的好壞直接由末

4、級功放管的性能決定。,寬帶,30MHz4倍頻程480MHz諧波抑制濾波器組的個數(shù),增益,G＝47－20＝27dB兩級放大 按照目前該頻段的器件水平，一個功放管難于做到，所以采用兩級放大，為保證線性度與效率的兼顧，推動級工作于A類，主放大工作于AB類,四、目前國際同類產(chǎn)品,AR公司BONN公司,AR-50功放,AR-50：獲得美國聯(lián)合互操作性測試司令部（JITC）的認證,AR：Tactical Radio Boost

5、er Amplifier,BONN功放,作為歐洲最大的射頻功率放大器生產(chǎn)商，德國BONN公司一直在為德國及歐盟軍方提供優(yōu)質(zhì)的射頻產(chǎn)品,BONN功放的諧波值都是在滿功率輸出時測定的,五、主要器件的選型,1、50W功率管的選擇：A、工作頻率B、1dB壓縮點功率 C、增益,A、工作頻率,1、工作頻段30～512MHz2、寬帶功放射頻功放管如何判斷是否適合應用于寬帶場合？輸入特性參數(shù)Q：Q＝Rp/XpQ值越小，功放管的

6、帶寬應用越寬,B、1dB壓縮點功率,輸出50W濾波器插損OFDM信號線性度設計冗余300W,C、增益,電路的調(diào)試和復雜度采用兩級放大，增益較高更易做到,2、推動級放大器的選擇,A、工作頻率B、1dB壓縮點功率 C、增益根據(jù)主放大的增益，同樣推動級就確定了,3、主要的射頻功率放大器廠商,ANADIGICS、Avago、Cree、Freescale、Hittite、Infineon、MA-COM、NXP、RFMD、Sk

7、yworks、TriQuint……,采購射頻功率管器件考慮因數(shù)：,A、性能B、價格C、采購周期D、禁運E、技術支持,TGA2540-FLGaN：3000元以上，禁運,TriQuint推出氮化鎵 (GaN) 功率放大器TGA2540-FL， 這款放大器具有優(yōu)異的能效、寬帶特性。TGA2540-FL采用凸緣封裝，最低功率8 W (P1dB)、功率附加效率 (PAE) 為 40%，頻度覆蓋范圍30-3,000 MHz，適用于防御通信應

8、用，如聯(lián)合戰(zhàn)術無線電系統(tǒng) (JTRS) 和反制簡易爆炸裝置電子戰(zhàn) (IED EW) 系統(tǒng)。TGA2540-FL 為“國際軍品交易條例” XI(c) 類產(chǎn)品，現(xiàn)已向美國制造商供貨。國際市場供貨需獲得出口許可證。,其他,RFMD：RFHA1003、RF3826禁運MA-COM：MRF392等價格高于Freescale同類產(chǎn)品SemeLab：D1009UK無大信號模型NXP：BLF1043無大信號模型Hittite：HMC999禁運

9、Cree：雖然GaN HEMT (氮化鎵高電子遷移率晶體管) 器件是超寬帶放大器應用的理想選擇，但價格昂貴,4、初步選擇推動級、主放大級功放管,推動級Freescale：MW6S010N 150元NXP：BLF1043 300元、BLF404 180元主放大NXP：BLF881 600元、BLF573 800元Freescale：MRFE6VP6300H 750元,六、功放管的仿真,1、仿真的目的A、采用不同的電路結(jié)構(gòu)驗證

10、所選用的功放管是否合適？能否在30～512MHz內(nèi)正常工作，包括穩(wěn)定性、增益平坦度、輸入輸出駐波比、三階互調(diào)等指標都在允許的范圍內(nèi)否或者能達到什么樣的理論水平？B、為調(diào)試提供趨勢性參考，比如柵極、漏級電壓對電路性能的影響，改變匹配器件的值對各種指標的影響等。C、在選型確定的情況下完成匹配設計,2、用ADS進行仿真,A、大信號與小信號的區(qū)別 描述阻抗特性的各參數(shù)受到工作頻率、輸入電平、輸出端的負載阻抗、電源電壓、偏置以及溫度等

11、的影響。B、寬帶放大器電路結(jié)構(gòu)設計的幾種技術補償匹配技術、網(wǎng)絡合成技術、平衡放大器技術、負反饋技術,補償匹配技術,通過適當?shù)厥馆斎牒洼敵銎ヅ渚W(wǎng)絡失配，從而補償正向增益隨頻率的變化缺點：犧牲輸入、輸出端的VSWR為代價而獲得增益的穩(wěn)定的,網(wǎng)絡合成技術,用于分立元件網(wǎng)絡設計的無源網(wǎng)絡合成法，比如巴特沃斯、切比雪夫法等,平衡放大器技術,具有平坦的功率增益頻率響應，且還具有良好的輸入、輸出VSWR缺點：受耦合器的帶寬限制，約為2倍頻程，

12、較大的直流功率和體積,負反饋技術,提供平坦的增益響應，并可減少輸入、輸出VSWR，特別適合超寬帶設計缺點：增加了噪聲系數(shù)，減小了功放管的最大可用功率增益,C、傳輸線變壓器的使用,通常功放管的功率越大，輸入輸出阻抗越小，在寬頻帶功率放大器的設計當中，一般端口的阻抗都為50Ω ，而功放管的輸入輸出阻抗都是很小的，所以在用同軸電纜進行寬帶匹配的時候?qū)鬏斁€進行不同的繞法可以得到不同比值的阻抗變換。在實際的使用當中，經(jīng)常用到的同軸電纜變壓器

13、有：4:1阻抗變換、9:1阻抗變換和平衡不平衡變換。改變同軸電纜的繞法和連接方式還可以得到其他特殊比值的阻抗變化器。,D、靜態(tài)工作點的確定,首先確定功放管的工作狀態(tài)然后按照數(shù)據(jù)手冊上給出的Ids值，仿真出柵極電壓,E、穩(wěn)定性仿真,放大器的穩(wěn)定系數(shù)K，穩(wěn)定性判據(jù)如下：其中△=|S11S22-S12S21|。當K>1且△1， △<0即可若在某些頻率存在不穩(wěn)定，通過在輸入端串聯(lián)小電阻等方法，再進行仿真，直到在工作頻段滿足要

14、求即可,F、用負載牽引的方法匹配輸出、輸入端,是通過不斷改變功放管負載阻抗，測試功放的輸出功率和效率。在最大輸出功率和最大效率之間取一個阻抗值作為輸出阻抗。同理，改變源阻抗，在最大輸出功率和最大效率之間取一個值作為輸入阻抗。,小信號的最佳匹配負載,G、利用匹配好的電路進行性能仿真,增益平坦度輸入輸出駐波比三階互調(diào)加上電源線及濾波電容，各個匹配網(wǎng)絡代入實際元件值，再反復優(yōu)化仿真，直到滿足性能要求仿真結(jié)果稍后介紹,七、整個功放模塊

15、設計,1、電路結(jié)構(gòu)劃分,射頻放大CPU監(jiān)控保護大功率濾波器電源,A、射頻放大關鍵指標理論值估算,模塊增益和噪聲系數(shù)最大增益：G=-0.4-1.3+18-3+27-2=38.3dB最小增益：G=-0.4-31.5+18-3+27-2=8.1dB噪聲系數(shù)：NF=-0.4-1.3-(38.3-27) =13dB(保證正常增益27dB時),互調(diào)衰減,功率放大部分采用二級級聯(lián)推動放大方案前級為中功率級放大，有一定的功率回

16、退量，約為10dB以上，在輸出額定功率25dBm時，IMD3約為-45dBc，能夠保證線性，工作于A類；末級為大功率級放大，有6dB的功率回退，根據(jù)器件特性，在輸出額定功率49dBm時，IMD3約為-35dBc。,MW6S010N三階互調(diào)特性,BLF573三階互調(diào)特性,ACPR,因該功放為預失真功放部件，所以沒有采用普通的回退方案，但仍可估算一下該指標DVB-T (8k OFDM)PAR (of output signal ＝

17、8.3 dB) at 0.01 % probability on CCDF； PAR of input signal = 9.5 dB at 0.01 % probability on CCDF54.7-8.3-2=44.4dBm=27W可見該設計能夠輸出27W(AV)的OFDM信號， ACPR<-30dBc,輸入駐波、輸出駐波,通過輸入耦合器，數(shù)控衰減器及第一級放大管的匹配保證，輸入駐波在1.5以下輸出駐波目前主要靠匹配

18、處理，未找到合適的隔離器，或者選用Freescale 的MRFE6VP6300H，該器件能夠?qū)?00W滿CW輸出功率生成高達65:1的VSWR,B、射頻輸入、放大、輸出電路,射頻輸入電路其主要的功能是RF信號的引入、功率監(jiān)測、功放模塊的增益控制和ALC的鎖定可在數(shù)控衰減器前面加一個1dBπ型衰減網(wǎng)絡，主要起改善數(shù)控衰減器駐波的作用，增大這個π衰可以改善輸入駐波，但同時會惡化功放噪聲系數(shù),DAT-31R5-PP+的作用,輸入過載保護

19、 輸入信號過大時，直接通過CPU設置到最大衰減狀態(tài)鎖定ALC 也就是當PA輸出功率達到最大值（如Poutmax=47dBm）時，即使再加大輸入信號的功率，輸出信號的功輸出信號的功率也不會增加，而且只維持在這個鎖定的功率值上,DAT-31R5-PP+的作用,寬帶增益調(diào)整 由于功放工作于十倍頻程以上，所以增益波動非常大，可以用數(shù)控衰減器來對增益進行調(diào)節(jié)，根據(jù)末級耦合器檢波出來的幅度大小，通過CPU的判斷，對數(shù)控衰減器

20、進行調(diào)節(jié)，使功放在整個頻段增益保持恒定,DAT-31R5-PP+的作用,溫補 溫補可以通過二極管的特性來調(diào)節(jié) 也可以通過溫度傳感器送給CPU的信號，CPU判斷后對該數(shù)控衰減器進行調(diào)節(jié)，通過預置衰減來對功放的高低溫增益進行一定的補償，以使功放的增益穩(wěn)定在一個可以接受的范圍，滿足增益穩(wěn)定度的要求。,推動級放大,這部分電路是整個PA的核心部分，主要作用是對RF信號的放大。在整機測試中，幾乎所有的射頻技術指標都和這部分電路有關，因此

21、這部分電路性能的好壞是能否實現(xiàn)所要求的技術指標的關鍵。一般先選定末級功率管，然后再依次逐級選定前面各級功率管，選管的原則是前一級的主要指標（如ACPR）不能引起后一級指標的惡化。 射頻放大電路主要由二級功率放大管級聯(lián)組成，其電路性能的好壞由匹配決定，包括推動級和末級放大，推動級放大框圖如下。因功放管輸入阻抗很小，使用傳輸線變壓器可實現(xiàn)阻抗變換作用，簡化匹配工作。,級聯(lián)放大器的三階交調(diào)系數(shù)與各級IMD3關系,級聯(lián)放大器的IMD3主要

22、取決于末級放大器的IMD3，因為在設計驅(qū)動級時一般將其交調(diào)失真設計得很低。各放大級的IMD3對整個級聯(lián)放大器的IMD3的影響可用下式來表示。式中：IMD3為級聯(lián)放大器的三階交調(diào)系數(shù)，d1、d2、dn為各放大級的三階交調(diào)系數(shù)。,級聯(lián)放大器的三階交調(diào)系數(shù)與各級IMD3關系,由上式可知兩級放大器的IMD3如下所示假設兩級放大器的三階交調(diào)系數(shù)之差的絕對值為A，即A=d1-d2，則驅(qū)動級的IMD3對末級的IMD3的影響值B（末級交調(diào)惡化值

23、）可用下式來表示上式可轉(zhuǎn)化為下圖的曲線來表示,級聯(lián)放大器的三階交調(diào)系數(shù)與各級IMD3關系,級聯(lián)放大器中驅(qū)動級交調(diào)系數(shù)對末級交調(diào)系數(shù)的影響曲線,級聯(lián)放大器的三階交調(diào)系數(shù)與各級IMD3關系,同樣可得到不同A值時惡化值B，如表所示,可以看出，驅(qū)動級優(yōu)于末級的IMD3越大，則級聯(lián)放大器的交調(diào)系數(shù)惡化值越小。之前介紹前級IMD3約為-45dBc，末級IMD3約為-35dBc，那么最終輸出IMD3約為-32.6dBc。,柵極電壓的確定,每一級均

24、需要取得一個合適的電壓，使每一級的靜態(tài)工作電流達到要求。跟末級功放管需要找到一個合適的柵壓類似，推動級也需要調(diào)整到一個合適的電壓以保證推動級的增益與線性。,末級放大,就整個PA來講，80%的射頻指標都和它有直接關系，它對整機增益、整機的線性放大、整機的效率、整機的ACPR、整機的三階互調(diào)、整機的諧波等都有極大的影響。通常功放管的功率越大，輸入輸出阻抗就越小，在寬頻帶功率放大器的設計當中，一般端口的阻抗都為50Ω ，而功放管的輸入輸出阻抗

25、變化很大，為了照顧這部分極小阻抗以及帶寬，必須采用傳輸線變壓器，本例中其輸入阻抗只有零點歐姆。,末級功放管電源線設計,目標：設計出來的輸入、輸出供電線盡量阻值高一些，對信號而言呈開路狀態(tài)；漏級的線寬盡量寬一些，因其電流很大以微帶線的形式輸入到ADS軟件中，按常規(guī)的布板走線輸入，包括線長、線寬，以及濾波需要的不同級數(shù)的電容，對柵極、漏級輸入輸出供電線仿真，看是否存在較大反射？,末級功放管柵極電壓的確定,查閱手冊，VDs=50V，IDQ=

26、900mA，工作于AB類通過ADS仿真確定柵極電壓,利用ADS對BLF573直流掃描,確定柵極電壓VGS＝2.1175V,穩(wěn)定性分析,BLF573本身只在470MHZ附近穩(wěn)定,采取穩(wěn)定措施,輸入端添加小電阻，缺點是降低了增益,BLF573在整個頻段內(nèi)完全穩(wěn)定了,利用添加了穩(wěn)定性的電路進行負載牽引,最佳負載阻抗ZL=1.21+j*0.94,放大器前后匹配完成仿真結(jié)果（粗略）,與文檔的不同和幾點說明,首先，因添加穩(wěn)定電阻的緣故其

27、次，所做功放為寬帶功放，宜在高端匹配，所以選在500MHz進行匹配因源沒有匹配以及添加電阻的緣故，導致增益僅為18.3dB采用最大輸出功率原則，所以效率未達最佳78%，僅為63%仿真稍后介紹,射頻輸出電路,主要對駐波比、輸出功率大小進行檢測，通過CPU判斷保護、調(diào)節(jié)輸出功率，并通過大功率低通濾波器濾器諧波分量,C、功放的檢測及保護電路,功率放大管是一種相對比較脆弱的器件，尤其是與低功率小信號放大管比較。其脆弱性主要體現(xiàn)在：靜電敏感

28、性高；熱敏感性比較高；對射頻過載比較敏感，即對射頻輸入功率過載比較敏感；對輸出失配比較敏感。由于上述原因，在設計功率放大器時必須考慮如何保護功率放大器，以避免靜電、浪涌、過熱過溫、過壓、過流、過載造成功放故障或者失效。,(1) 、引起功放失效的原因,(1)靜電擊穿引起的失效。運輸、接觸導致靜電作用于功率管的電極，產(chǎn)生擊穿效應，使器件永久失效。這種失效的避免可以從器件、單板運輸、操作等過程中，采取防靜電措施來解決。解決方法有：a．通過防

29、止靜電源的產(chǎn)生(比如保持空氣的濕度)；b．通過接地使靜電源的靜電能夠有效釋放而防止積累；c．通過采取靜電隔離措施。　　(2)過壓引起的失效。過壓會引起功率放大器的電極擊穿或者處于不正常的工作狀態(tài)。引起過壓的情況有：a．功放直流饋電電路部分出現(xiàn)元器件失效，引起過壓；b．與功放相關的控制和電源部分出現(xiàn)故障產(chǎn)生的關聯(lián)效應，引起的過壓。　　(3)過流引起的失效。功放的工作電流超出其正常工作電流而引起的失效?！　?4)過激勵引起的失效。輸入

30、的功率電平超出功率放大器安全范圍，會引起功放永久性失效。其結(jié)果是直接導致功放燒毀?！　?5)負載不匹配引起的失效。負載開路、短路或失配使功放輸出端呈現(xiàn)比較高的駐波分布，使射頻能量不能有效地傳輸出去，大部分能量轉(zhuǎn)換成熱，造成熱積累，一方面降低了功放效率，另一方面，將造成功放熱燒毀?！　?6)過熱、過溫引起的失效。由于散熱不良或者環(huán)境溫度過高引起功率器件失效。,(2) 、功放保護電路設計類型,(1)過壓保護。此保護形式表現(xiàn)在電路上有：

31、　　電壓鉗位電路：設計合適的鉗位電路可以使饋電電壓限制在安全的范圍內(nèi)?！　好綦娐罚和ㄟ^并聯(lián)壓敏電阻或者其他壓敏器件，當電壓超過壓敏器件的臨界電平時，壓敏器件產(chǎn)生短路效應，拉低電平，從而達到保護的目的?！　》€(wěn)壓電路：通過穩(wěn)壓電路使輸入電壓范圍得到擴大?！　　彪妷簷z測+過壓判斷+執(zhí)行保護”的閉環(huán)保護形式?！　?2)過流保護。過流保護主要有以下幾種形式：　　電源限流保護：如果給功率放大器饋電的電源模塊具有限流功能，那么該限流功能能

32、夠防止功放出現(xiàn)過流。比如功放過激勵或者自己的情況下，如果沒有限流，功放會被自己或者過激勵產(chǎn)生的大電流燒毀。　　過流閉環(huán)保護：通過對功放的工作電流進行實時監(jiān)測，一旦出現(xiàn)過流，自動切斷電流，以達到保護功放的目的?！　?3)過激勵保護。當輸入功率超過功率放大器安全工作范圍時，對功放實施的保護。過激勵保護的形式有：輸入功率限幅，通過限幅器件實現(xiàn)；過激勵閉環(huán)保護形式，通過對功放的輸入功率進行實時監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)功放過激勵，自動切斷輸入信號或者自

33、動大幅度衰減輸入信號，以達到保護功放的目的?！　?4)熱保護。熱保護是在出現(xiàn)溫度過高或者過熱的情況下，對功放實施的保護形式。熱保護的方式是通過溫度或者熱檢測電路對功率放大器的溫度和熱的情況進行監(jiān)視，一旦檢測的溫度或者熱超過門限值，就通過保護執(zhí)行裝置對功放進行保護。　　(5)失配保護。失配保護是在功放輸出失配的情況下，為避免失配對功放損害的一種保護電路形式。,(3) 、采用CPU實時監(jiān)測保護的閉環(huán)方式,需要高精度D/A、A/D轉(zhuǎn)換器，