W宽带功放设计

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,50W,宽带射频功放设计,30MHz,512MHz,1,一、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。,2,BLF888,3,BLF578,4,功放模块,5,二、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,6,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,7,按照工作状态,A,、线性功率放大器,B,、非线性功率放大器,8,按照电流的导通角,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,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,9,A,类功率放大器,10,B,类功率放大器,11,C,类功率放大器,12,三、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,13,BLF573,、,MRFE6VP6300H,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。,14,宽带,30MHz,4,倍频程,480MHz,谐波抑制,滤波器组的个数,15,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,16,四、目前国际同类产品,AR,公司,BONN,公司,17,AR-50,功放,18,AR-50,：获得美国联合互操作性测试司令部（,JITC,）的认证,19,AR,：,Tactical Radio Booster Amplifier,20,BONN,功放,21,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,22,BONN,功放的谐波值都是在满功率输出时测定的,23,五、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,24,A,、工作频率,1,、工作频段,30,512MHz,2,、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/Xp,Q,值越小，功放管的带宽应用越宽,25,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,300W,26,C,、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,27,2,、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,28,3,、主要的射频功率放大器厂商,ANADIGICS,、,Avago,、,Cree,、,Freescale,、,Hittite,、,Infineon,、,MA-COM,、,NXP,、,RFMD,、,Skyworks,、,TriQuint,29,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,30,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,8 W (P1dB),、功率附加效率,(PAE),为,40%,，频度覆盖范围,30-3,000 MHz,，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,(IED EW),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。,31,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,GaN HEMT (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,32,4,、初步选择推动级、主放大级功放管,推动级,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,33,六、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,34,2,、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,35,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,36,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,37,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,38,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,39,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,50,，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。,40,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,41,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,， ,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,42,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。,43,小信号的最佳匹配负载,44,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,45,七、整个功放模块设计,46,1,、电路结构划分,射频放大,CPU,监控保护,大功率滤波器,电源,47,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,),48,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,。,49,MW6S010N,三阶互调特性,50,BLF573,三阶互调特性,51,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 (8k OFDM),PAR (of output signal,8.3 dB) at 0.01 % probability on CCDF,；,PAR of input signal = 9.5 dB at 0.01 % probability on CCDF,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,52,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,VSWR,53,B,、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,1dB,型衰减网络，主要起改善数控衰减器驻波的作用，增大这个,衰可以改善输入驻波，但同时会恶化功放噪声系数,54,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,55,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,56,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。,57,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。,58,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。,59,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,60,级联放大器的三阶交调系数与各级,IMD3,关系,级联放大器中驱动级交调系数对末级交调系数的影响曲线,61,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-4,5,dBc，末级IMD3约为-35dBc,，那么最终输出,IMD3约为-,32.6,dBc,。,62,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。,63,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、整机的效率、整机的,ACPR,、整机的三阶互调、整机的谐波等都有极大的影响。通常功放管的功率越大，输入输出阻抗就越小，在宽频带功率放大器的设计当中，一般端口的阻抗都为,50,，而功放管的输入输出阻抗变化很大，为了照顾这部分极小阻抗以及带宽，必须采用传输线变压器，本例中其输入阻抗只有零点欧姆。,64,末级功放管电源线设计,目标：设计出来的输入、输出供电线尽量阻值高一些，对信号而言呈开路状态；漏级的线宽尽量宽一些，因其电流很大,以微带线的形式输入到,ADS,软件中，按常规的布板走线输入，包括线长、线宽，以及滤波需要的不同级数的电容，对栅极、漏级输入输出供电线仿真，看是否存在较大反射？,65,末级功放管栅极电压的确定,查阅手册，,V,Ds,=50V,，,I,DQ,=900mA,，工作于,AB,类,通过,ADS,仿真确定栅极电压,66,利用,ADS,对,BLF573,直流扫描,67,确定栅极电压,V,GS,2.1175V,68,稳定性分析,69,BLF573,本身只在,470MHZ,附近稳定,70,采取稳定措施,输入端添加小电阻，缺点是降低了增益,71,BLF573,在整个频段内完全稳定了,72,利用添加了稳定性的电路进行负载牵引,73,最佳负载阻抗,Z,L,=1.21+j*0.94,74,放大器前后匹配完成仿真结果（粗略）,75,与文档的不同和几点说明,首先，因添加稳定电阻的缘故,其次，所做功放为宽带功放，宜在高端匹配，所以选在,500MHz,进行匹配,因源没有匹配以及添加电阻的缘故，导致增益仅为,18.3dB,采用最大输出功率原则，所以效率未达最佳,78%,，仅为,63%,仿真稍后介绍,76,射频输出电路,主要对驻波比、输出功率大小进行检测，通过,CPU,判断保护、调节输出功率，并通过大功率低通滤波器滤器谐波分量,77,C,、功放的检测及保护电路,功率放大管是一种相对比较脆弱的器件，尤其是与低功率小信号放大管比较。其脆弱性主要体现在：静电敏感性高；热敏感性比较高；对射频过载比较敏感，即对射频输入功率过载比较敏感；对输出失配比较敏感。,由于上述原因，在设计功率放大器时必须考虑如何保护功率放大器，以避免静电、浪涌、过热过温、过压、过流、过载造成功放故障或者失效。,78,(1),、引起功放失效的原因,(1),静电击穿引起的失效。运输、接触导致静电作用于功率管的电极，产生击穿效应，使器件永久失效。这种失效的避免可以从器件、单板运输、操作等过程中，采取防静电措施来解决。解决方法有：,a,通过防止静电源的产生,(,比如保持空气的湿度,),；,b,通过接地使静电源的静电能够有效释放而防止积累；,c,通过采取静电隔离措施。,(2),过压引起的失效。过压会引起功率放大器的电极击穿或者处于不正常的工作状态。引起过压的情况有：,a,功放直流馈电电路部分出现元器件失效，引起过压；,b,与功放相关的控制和电源部分出现故障产生的关联效应，引起的过压。,(3),过流引起的失效。功放的工作电流超出其正常工作电流而引起的失效。,(4),过激励引起的失效。输入的功率电平超出功率放大器安全范围，会引起功放永久性失效。其结果是直接导致功放烧毁。,(5),负载不匹配引起的失效。负载开路、短路或失配使功放输出端呈现比较高的驻波分布，使射频能量不能有效地传输出去，大部分能量转换成热，造成热积累，一方面降低了功放效率，另一方面，将造成功放热烧毁。,(6),过热、过温引起的失效。由于散热不良或者环境温度过高引起功率器件失效。,79,(2),、功放保护电路设计类型,(1),过压保护。此保护形式表现在电路上有：,电压钳位电路：设计合适的钳位电路可以使馈电电压限制在安全的范围内。,压敏电路：通过并联压敏电阻或者其他压敏器件，当电压超过压敏器件的临界电平时，压敏器件产生短路效应，拉低电平，从而达到保护的目的。,稳压电路：通过稳压电路使输入电压范围得到扩大。,”电压检测,+,过压判断,+,执行保护”的闭环保护形式。,(2),过流保护。过流保护主要有以下几种形式：,电源限流保护：如果给功率放大器馈电的电源模块具有限流功能，那么该限流功能能够防止功放出现过流。比如功放过激励或者自己的情况下，如果没有限流，功放会被自己或者过激励产生的大电流烧毁。,过流闭环保护：通过对功放的工作电流进行实时监测，一旦出现过流，自动切断电流，以达到保护功放的目的。,(3),过激励保护。当输入功率超过功率放大器安全工作范围时，对功放实施的保护。过激励保护的形式有：输入功率限幅，通过限幅器件实现；过激励闭环保护形式，通过对功放的输入功率进行实时监测，一旦发现功放过激励，自动切断输入信号或者自动大幅度衰减输入信号，以达到保护功放的目的。,(4),热保护。热保护是在出现温度过高或者过热的情况下，对功放实施的保护形式。热保护的方式是通过温度或者热检测电路对功率放大器的温度和热的情况进行监视，一旦检测的温度或者热超过门限值，就通过保护执行装置对功放进行保护。,(5),失配保护。失配保护是在功放输出失配的情况下，为避免失配对功放损害的一种保护电路形式。,80,(3),、采用,CPU,实时监测保护的闭环方式,需要高精度,D/A,、,A/D,转换器，采取必要的滤波措施避免数字电路和射频电路之间的相互干扰,因采用闭环方式，对分时系统需要仿真验证,81,2,、外形结构、散热考虑,主放大管采用紫铜散热,功率管附近选用耐高温元器件,大电流、高电压电容的选择,82,例图,1,83,例图,2,84,