張承云

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司通信技術(shù)研究所，江蘇 南京 210014）

0 引言

設(shè)計(jì)放大器首先要明確設(shè)計(jì)指標(biāo)，即工作頻率范圍、輸出功率、增益大小、互調(diào)指標(biāo)、電源電壓等，然后選擇能夠適合指標(biāo)要求的放大管，接著設(shè)計(jì)具體電路。

1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

（a）頻率范圍 2MHz-30MHz

（b）標(biāo)稱(chēng)輸入輸出阻抗 50Ω

（c）輸入駐波比 ≤1.3

（d）額定輸入電平 20dBm

（e）額定輸出電平 40dBm

（f）輸出頻率響應(yīng) ≤2dB

（g）諧波抑制 ≤-35dB

（h）互調(diào)抑制 ≤-45dB

（i）直流供電 24V

2 選擇功放管

選擇功放管需要考慮管子的適用工作頻段、輸出功率、增益、漏極供電電壓（包括最大漏源極限電壓）、輸入阻抗、輸出阻抗、最大功耗、熱阻……等管子參數(shù)[1-2]。

輸出功率 30W

增益 20dB

高端適用頻率 150MHz

直流供電電壓 28V

漏源極限電壓 65V

漏源導(dǎo)通壓降 1.0V

跨導(dǎo) 1.8mho

本例選用了功放管MRF171A。MRF171A的主要數(shù)據(jù)如表1。

表1 MRF171A的阻抗Table 1 Impedance of MRF171A

3 輸出端的電路設(shè)計(jì)

10W高線(xiàn)性射頻功率放大器一般作為1000W等功率放大器的推動(dòng)級(jí)（末前級(jí)）應(yīng)用，所以對(duì)線(xiàn)性的要求優(yōu)先于對(duì)效率的要求，可以考慮采用線(xiàn)性指標(biāo)好的甲類(lèi)推挽放大電路[3-5]。設(shè)10W功率放大器的負(fù)載電阻RL=50Ω（即輸出變壓器的變比N=1：1），根據(jù)功率公式電壓幅值加上管子的導(dǎo)通壓降1V，即供電電壓應(yīng)大于32.7V。因?yàn)樵O(shè)計(jì)指標(biāo)規(guī)定供電電壓為24V，所以需要用饋電變壓器T102把供電電壓提升到接近48V。參見(jiàn)圖1。

圖1 10W放大器電路圖Fig. 1 Circuit diagram of 10W amplifier

圖1 中，V101、V102與T102、T103組成甲類(lèi)推挽放大電路。因?yàn)殡妷悍礦m=×V≈ 31.7（V），電流幅值 Im=31.7V/50Ω≈ 0.64A，所以V101、V102 的靜態(tài)電流IQ應(yīng)大于0.64A。調(diào)試時(shí)，為保證互調(diào)≤-45dB，IQ的調(diào)整范圍在0.8-2A。

4 輸入端阻抗匹配

從表1可知，功放管MRF171A的輸入阻抗ZIN約12.8Ω（虛部-j3.6較小，估算可忽略，簡(jiǎn)化計(jì)算）。V101、V102的輸入阻抗經(jīng)地串聯(lián)成2ZIN=2×12.8Ω=25.6Ω。

再估算反饋支路對(duì)輸入端的阻抗Rf：先求輸出功率PO=10W時(shí)，射頻輸出電壓饋電變壓器T102的1-2繞組電壓v12=vO/2=11.2（V）,T102的1-2繞組與5-6繞組的變比 n=5∶2，則繞組 5-6上的電壓 v56=v12÷5×2=11.2÷5×2=4.48V。反饋回路的電流 if=v56÷（R115+R116+2ZIN）=4.48÷（39+39+25.6）=0.043A。V101(V102)的 射 頻 電 流MRF171A的跨導(dǎo)gm=1.8mho，因?yàn)間m=iD/vg，所以柵極射頻電壓vg=iD/gm=0.45÷1.8=0.25V。

反饋回路對(duì)輸入端呈現(xiàn)的阻抗Rf=2vg/if=(2×0.25V)÷0.043≈11.6Ω，則T101次級(jí)的阻抗Ri=2ZIN//Rf=(25.6×11.6)/(25.6+11.6)=8Ω。T101 的變比，即T101的初級(jí)繞5圈，次級(jí)繞2圈。

5 對(duì)推動(dòng)放大器互調(diào)指標(biāo)的要求

一般對(duì)發(fā)射機(jī)末級(jí)功放的互調(diào)指標(biāo)要求是IMD3=-28至-30dBc，兩級(jí)放大器級(jí)聯(lián)后的互調(diào)IMD3=d2+20log[1+10(d1-d2)/20]，d1為 第一級(jí)放大器的互調(diào)，d2為第二級(jí)放大器的互調(diào)。設(shè)d1=-45dBc，d2=-30dBc，級(jí)聯(lián)后的互調(diào) IMD3=-30+20log[1+10(-45+30)/20]=-30+20log[1+10-3/4]=-30+20log[1+0.1778]=-28.6dBc，級(jí)聯(lián)后的互調(diào)比末級(jí)互調(diào)劣化了1.4dB。再設(shè)d1=-50dBc，d2=-30dBc，級(jí)聯(lián)后的互調(diào)IMD3=-30+20log[1+10(-50+30)/20]=-30+20log[1+10-1]=-30+20log[1+0.1]=-29.2dBc，級(jí)聯(lián)后的互調(diào)比末級(jí)互調(diào)劣化了0.8dB。

如果要求發(fā)射機(jī)的互調(diào)指標(biāo)是-28dBc，而末級(jí)功放的互調(diào)指標(biāo)是-30dBc，則推動(dòng)級(jí)放大器的互調(diào)應(yīng)該優(yōu)于末級(jí)互調(diào)15-20dB。一般可以通過(guò)調(diào)整靜態(tài)電流、增加負(fù)反饋和改善阻抗匹配來(lái)提高互調(diào)指標(biāo)。[6]

6 直流偏置電路

從插座XP1送入的12V電壓，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路N101（78L09）降壓穩(wěn)壓成9V電壓，再經(jīng)過(guò)電位器RP101、RP102調(diào)節(jié)后，通過(guò)二極管V103、V104和R111、R112將直流偏置電壓加到功放管V101、V102的柵極。二極管V103、V104的作用是防止功放管V101、V102漏柵間擊穿損壞時(shí)，24V電壓加到穩(wěn)壓電路N101的輸出端，可能連帶損壞穩(wěn)壓電路。

7 通過(guò)源極直流負(fù)反饋穩(wěn)定增益

本功率放大器在環(huán)境溫度從+50℃至-40℃變化時(shí)，輸出功率從39.8dBm變化到37.5dBm，增益變化了2.3dB。增益變化的原因主要是隨著溫度的下降，功放管MRF171A的靜態(tài)電流也從1.1A下降到了0.37A。發(fā)射機(jī)要求把功放增益的變化量控制在0.8dB范圍內(nèi)。要穩(wěn)定功放的增益就要穩(wěn)定管子的靜態(tài)電流。參見(jiàn)圖1，在功放管V101、V102的源極與地之間串聯(lián)1Ω電阻器R196、R197、R198、R199，構(gòu)成電流負(fù)反饋電路，為了不影響交流增益，在電阻器上并聯(lián)電容器C196、C197、C198、C199，構(gòu)成直流電流負(fù)反饋電路。改進(jìn)電路后，功率放大器在環(huán)境溫度從+50℃至-40℃變化時(shí)，輸出功率從39.46dBm變化到39.06dBm，增益只變化了0.4dB。即源極直流電流負(fù)反饋電路對(duì)穩(wěn)定放大器的增益有很好的效果。

8 輸出功率監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)推動(dòng)級(jí)放大器的輸出功率大小或有無(wú)，可以為整機(jī)迅速判斷故障部位提供依據(jù)。放大器的功率從T103輸出，通過(guò)定向耦合器T7后送到插座XS4（給下一級(jí)或負(fù)載）。正向耦合信號(hào)從定向耦合器T7的3腳輸出，耦合度30dB。當(dāng)40dBm（10W）的射頻功率通過(guò)定向耦合器T7的輸入端和輸出端1-2腳時(shí)，從定向耦合器T7的耦合端3腳輸出10dBm的射頻檢測(cè)信號(hào)。射頻檢測(cè)信號(hào)送到N4（AD8310）的第8腳，AD8310對(duì)輸入的射頻信號(hào)檢波后，從第4腳輸出與射頻信號(hào)功率對(duì)應(yīng)的直流電壓。輸入10dBm的射頻信號(hào)，輸出直流電壓是2.54V；輸入0dBm的射頻信號(hào)，輸出直流電壓是2.28V，即變化斜率是0.26V/10dBm。N4第4腳輸出的直流電壓送到緩沖運(yùn)放N6B的同相輸入端（第5腳），再?gòu)倪\(yùn)放N6B第7腳輸出送到插座XP1的7腳，供控制電路判斷推動(dòng)放大器的輸出功率。N5為N4提供3.3V電源電壓。

9 供電電流監(jiān)測(cè)

通過(guò)檢測(cè)功放管的漏極電流，可以知道管子的靜態(tài)電流是否正常或管子是否可能已經(jīng)損壞。圖1中，24V供電電流檢測(cè)電路由電流取樣電阻R80，N10電流檢測(cè)放大器MAX4080T和N11A運(yùn)放集成電路LM158構(gòu)成。MAX4080T是單向電流檢測(cè)放大器集成電路，可檢測(cè)的電壓范圍從4.5V-76V。24V的電源電流經(jīng)過(guò)取樣電阻R80（阻值0.05Ω），如果電流是2A，在R80上的壓降是0.1V，0.1V的電壓加到MAX4080T的1腳和8腳，MAX4080T把0.1V的電壓放大20倍后從5腳輸出2V的電壓，此電壓經(jīng)運(yùn)放N11A緩沖放大再送到插座XP1的9腳，供控制電路監(jiān)測(cè)推動(dòng)放大器24V電源的電流。

10 鍵控電路

通過(guò)插座XP1第4腳輸入的鍵控信號(hào)/PTT電平的高低，使三極管V123、V124導(dǎo)通或截止，來(lái)控制功放管V101、V102柵極偏壓有無(wú)，決定功放管V101、V102工作（有功率輸出）或不工作（無(wú)功率輸出）。此鍵控電路簡(jiǎn)單、節(jié)能（不輸出功率的同時(shí)也無(wú)靜態(tài)電流損耗）、鍵控速度快。

11 結(jié)論

設(shè)計(jì)放大器首先要明確設(shè)計(jì)指標(biāo)，即工作頻率范圍、輸出功率、增益大小、互調(diào)指標(biāo)、電源電壓等。[7-8]然后選擇能夠適合指標(biāo)要求的放大管。再根據(jù)電源電壓、輸出負(fù)載阻抗確定輸出電路的結(jié)構(gòu)和輸出變壓器的變比N。負(fù)反饋電路在放大電路中通常是必須的，可以采用RC反饋，也可以采用變壓器反饋（如本例）。輸入端的阻抗匹配一般采用變壓器變換阻抗（頻帶寬）。功率檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、鍵控電路都是放大器中常見(jiàn)的輔助電路，可以選擇采用[9-10]。