50W宽带功放设计

50W宽带射频功放设计30MHz～512MHz一、射频功放在通信设备中的地位射频功放模块是通信设备中最重要的射频部件，它通过将无线射频信号功率进行高效率、高线性放大使无线通信系统实现容量和覆盖的有效提高，通信设备的通信距离和能源耗量都与功放息息相关。据中兴估计，在整个无线通讯设备成本构成来看，功率放大器的成本比例约占35%左右。BLF888BLF578功放模块二、射频功率放大器常见类型按照工作频带分类A、窄带功率放大器带宽为中心频率的10％或更低B、宽带功率放大器在几个倍频程到十倍频程的宽频带范围内都具有基本平坦频响曲线的放大器C、超宽带功率放大器大于10倍频程按照匹配网络的性质A、非谐振功率放大器B、谐振功率放大器按照工作状态A、线性功率放大器B、非线性功率放大器按照电流的导通角θ的不同在信号周期一周内，管子导通角度的一半定义为导通角θA类B类AB类C类有工作在开关状态的D类和E类功率放大器；目前还有另外一类高效率功率放大器，即F类、G类和H类A类功率放大器B类功率放大器C类功率放大器三、主要设计指标工作频率30MHz～512MHz输出功率50W（47dBm）输入信号20～25dBm其他BLF573、MRFE6VP6300HFrequency(MHz)Gain(dB)Efficiency(%)IMD3(ACPR)(dBc)ReturnLoss(dB)2ndHar(dBc)22527.270-321323026.574-2516功放模块是射频功率放大部件，在保证线形的情况下提供一定的功率输出，其最重要的部分为末级功放管，可以说功放模块性能的好坏直接由末级功放管的性能决定。宽带30MHz4倍频程480MHz谐波抑制滤波器组的个数增益G＝47－20＝27dB两级放大按照目前该频段的器件水平，一个功放管难于做到，所以采用两级放大，为保证线性度与效率的兼顾，推动级工作于A类，主放大工作于AB类四、目前国际同类产品AR公司BONN公司AR-50功放AR-50：获得美国联合互操作性测试司令部（JITC）的认证AR：TacticalRadioBoosterAmplifierBONN功放作为欧洲最大的射频功率放大器生产商，德国BONN公司一直在为德国及欧盟军方提供优质的射频产品BONN功放的谐波值都是在满功率输出时测定的五、主要器件的选型1、50W功率管的选择：A、工作频率B、1dB压缩点功率C、增益A、工作频率1、工作频段30～512MHz2、宽带功放射频功放管如何判断是否适合应用于宽带场合？输入特性参数Q：Q＝Rp/XpQ值越小，功放管的带宽应用越宽B、1dB压缩点功率输出50W滤波器插损OFDM信号线性度设计冗余300WC、增益电路的调试和复杂度采用两级放大，增益较高更易做到2、推动级放大器的选择A、工作频率B、1dB压缩点功率C、增益根据主放大的增益，同样推动级就确定了3、主要的射频功率放大器厂商ANADIGICS、Avago、Cree、Freescale、Hittite、Infineon、MA-COM、NXP、RFMD、Skyworks、TriQuint……采购射频功率管器件考虑因数：A、性能B、价格C、采购周期D、禁运E、技术支持TGA2540-FLGaN：3000元以上，禁运TriQuint推出氮化镓(GaN)功率放大器TGA2540-FL，这款放大器具有优异的能效、宽带特性。TGA2540-FL采用凸缘封装，最低功率8W(P1dB)、功率附加效率(PAE)为40%，频度覆盖范围30-3,000MHz，适用于防御通信应用，如联合战术无线电系统(JTRS)和反制简易爆炸装置电子战(IEDEW)系统。TGA2540-FL为“国际军品交易条例”XI(c)类产品，现已向美国制造商供货。国际市场供货需获得出口许可证。其他RFMD：RFHA1003、RF3826禁运MA-COM：MRF392等价格高于Freescale同类产品SemeLab：D1009UK无大信号模型NXP：BLF1043无大信号模型Hittite：HMC999禁运Cree：虽然GaNHEMT(氮化镓高电子迁移率晶体管)器件是超宽带放大器应用的理想选择，但价格昂贵4、初步选择推动级、主放大级功放管推动级Freescale：MW6S010N150元NXP：BLF1043300元、BLF404180元主放大NXP：BLF881600元、BLF573800元Freescale：MRFE6VP6300H750元六、功放管的仿真1、仿真的目的A、采用不同的电路结构验证所选用的功放管是否合适？能否在30～512MHz内正常工作，包括稳定性、增益平坦度、输入输出驻波比、三阶互调等指标都在允许的范围内否或者能达到什么样的理论水平？B、为调试提供趋势性参考，比如栅极、漏级电压对电路性能的影响，改变匹配器件的值对各种指标的影响等。C、在选型确定的情况下完成匹配设计2、用ADS进行仿真A、大信号与小信号的区别描述阻抗特性的各参数受到工作频率、输入电平、输出端的负载阻抗、电源电压、偏置以及温度等的影响。B、宽带放大器电路结构设计的几种技术补偿匹配技术、网络合成技术、平衡放大器技术、负反馈技术补偿匹配技术通过适当地使输入和输出匹配网络失配，从而补偿正向增益随频率的变化缺点：牺牲输入、输出端的VSWR为代价而获得增益的稳定的网络合成技术用于分立元件网络设计的无源网络合成法，比如巴特沃斯、切比雪夫法等平衡放大器技术具有平坦的功率增益频率响应，且还具有良好的输入、输出VSWR缺点：受耦合器的带宽限制，约为2倍频程，较大的直流功率和体积负反馈技术提供平坦的增益响应，并可减少输入、输出VSWR，特别适合超宽带设计缺点：增加了噪声系数，减小了功放管的最大可用功率增益C、传输线变压器的使用通常功放管的功率越大，输入输出阻抗越小，在宽频带功率放大器的设计当中，一般端口的阻抗都为50Ω，而功放管的输入输出阻抗都是很小的，所以在用同轴电缆进行宽带匹配的时候对传输线进行不同的绕法可以得到不同比值的阻抗变换。在实际的使用当中，经常用到的同轴电缆变压器有：4:1阻抗变换、9:1阻抗变换和平衡不平衡变换。改变同轴电缆的绕法和连接方式还可以得到其他特殊比值的阻抗变化器。D、静态工作点的确定首先确定功放管的工作状态然后按照数据手册上给出的Ids值，仿真出栅极电压E、稳定性仿真放大器的稳定系数K，稳定性判据如下：其中△=|S11S22-S12S21|。当K1且△0时，放大器处于绝对稳定状态；K1，电路则潜在不稳定。满足K1，△0即可若在某些频率存在不稳定，通过在输入端串联小电阻等方法，再进行仿真，直到在工作频段满足要求即可F、用负载牵引的方法匹配输出、输入端是通过不断改变功放管负载阻抗，测试功放的输出功率和效率。在最大输出功率和最大效率之间取一个阻抗值作为输出阻抗。同理，改变源阻抗，在最大输出功率和最大效率之间取一个值作为输入阻抗。小信号的最佳匹配负载G、利用匹配好的电路进行性能仿真增益平坦度输入输出驻波比三阶互调加上电源线及滤波电容，各个匹配网络代入实际元件值，再反复优化仿真，直到满足性能要求仿真结果稍后介绍七、整个功放模块设计1、电路结构划分射频放大CPU监控保护大功率滤波器电源A、射频放大关键指标理论值估算模块增益和噪声系数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噪声系数：NF=-0.4-1.3-(38.3-27)=13dB(保证正常增益27dB时)互调衰减功率放大部分采用二级级联推动放大方案前级为中功率级放大，有一定的功率回退量，约为10dB以上，在输出额定功率25dBm时，IMD3约为-45dBc，能够保证线性，工作于A类；末级为大功率级放大，有6dB的功率回退，根据器件特性，在输出额定功率49dBm时，IMD3约为-35dBc。MW6S010N三阶互调特性BLF573三阶互调特性ACPR因该功放为预失真功放部件，所以没有采用普通的回退方案，但仍可估算一下该指标DVB-T(8kOFDM)PAR(ofoutputsignal＝8.3dB)at0.01%probabilityonCCDF；PARofinputsignal=9.5dBat0.01%probabilityonCCDF54.7-8.3-2=44.4dBm=27W可见该设计能够输出27W(AV)的OFDM信号，ACPR-30dBc输入驻波、输出驻波通过输入耦合器，数控衰减器及第一级放大管的匹配保证，输入驻波在1.5以下输出驻波目前主要靠匹配处理，未找到合适的隔离器，或者选用Freescale的MRFE6VP6300H，该器件能够将300W满CW输出功率生成高达65:1的VSWRB、射频输入、放大、输出电路射频输入电路其主要的功能是RF信号的引入、功率监测、功放模块的增益控制和ALC的锁定可在数控衰减器前面加一个1dBπ型衰减网络，主要起改善数控衰减器驻波的作用，增大这个π衰可以改善输入驻波，但同时会恶化功放噪声系数DAT-31R5-PP+的作用输入过载保护输入信号过大时，直接通过CPU设置到最大衰减状态锁定ALC也就是当PA输出功率达到最大值（如Poutmax=47dBm）时，即使再加大输入信号的功率，输出信号的功输出信号的功率也不会增加，而且只维持在这个锁定的功率值上DAT-31R5-PP+的作用宽带增益调整由于功放工作于十倍频程以上，所以增益波动非常大，可以用数控衰减器来对增益进行调节，根据末级耦合器检波出来的幅度大小，通过CPU的判断，对数控衰减器进行调节，使功放在整个频段增益保持恒定DAT-31R5-PP+的作用温补温补可以通过二极管的特性来调节也可以通过温度传感器送给CPU的信号，CPU判断后对该数控衰减器进行调节，通过预置衰减来对功放的高低温增益进行一定的补偿，以使功放的增益稳定在一个可以接受的范围，满足增益稳定度的要求。推动级放大这部分电路是整个PA的核心部分，主要作用是对RF信号的放大。在整机测试中，几乎所有的射频技术指标都和这部分电路有关，因此这部分电路性能的好坏是能否实现所要求的技术指标的关键。一般先选定末级功率管，然后再依次逐级选定前面各级功率管，选管的原则是前一级的主要指标（如ACPR）不能引起后一级指标的恶化。射频放大电路主要由二级功率放大管级联组成，其电路性能的好坏由匹配决定，包括推动级和末级放大，推动级放大框图如下。因功放管输入阻抗很小，使用传输线变压器可实现阻抗变换作用，简化匹配工作。级联放大器的三阶交调系数与各级IMD3关系级联放大器的IMD3主要取决于末级放大器的IMD3，因为在设计驱动级时一般将其交调失真设计得很低。各放大级的IMD3对整个级联放大器的IMD3的影响可用下式来表示。式中：IMD3为级联放大器的三阶交调系数，d1、d2、dn为各放大级的三阶交调系数。级联放大器的三阶交调系数与各级IMD3关系由上式可知两级放大器的IMD3如下所示假设两级放大器的三阶交调系数之差的绝对值为A，即A=d1-d2，则驱动级的IMD3对末级的IMD3的影响值B（末级交调恶化值）可用下式来表示上式可转化为下图的曲线来表示级联放大器的三阶交调系数与各级IMD3关系级联放大器的三阶交调系数与各级IMD3关系同样可得到不同A值时恶化值B，如表所示可以看出，驱动级优于末级的IMD3越大，则级联放大器的交调系数恶化值越小。之前介绍前级IMD3约为-45dBc，末级IMD3约为-35dBc，那么最终输出IMD3约为-32.6dBc。栅极电压的确定每一级均需要取得一个合适的电压，使每一级的静态工作电流达到要求。跟末级功放管需要找到一个合适的栅压类似，推动级也需要调整到一个合适的电压以保证推动级的增益与线性。末级放大就整个PA来讲，80%的射频指标都和它有直接关系，它对整机增益、整机的线性放大