采用三级放大级联结构实现200W脉冲功率放大器的设计
在通信和雷达系统中， 功率放大器是极其重要的组成部分， 随着军用， 民用系统的迅猛发展， 对功率放大器的研制也提出了更高的要求。脉冲功率放大器广泛用于脉冲雷达、相控阵雷达、遥测等各种领域。作为其关键元件， 其设计、生产、调试、测试都是关键技术。
本文考虑到上述因素， 按照系统指标要求， 设计实现了一种拥有200w 输出的功率的脉冲功率放大器。系统采用三级放大级联结构， 第一级采用拥有较高增益的低功耗驱动放大器， 第二级采用增益和功率都适中的功率放大器， 末级采用平衡式结构实现较大的输出功率。
1 系统设计方案
功率放大器设计指标: 频带2. 3 ghz- 2. 4 gh z，增益47 1. 5 db， 脉冲宽度8 s、占空比1% ， 脉冲输出功率200w， 回波损耗15 db， 28 v供电电压。
系统选用三级放大模式， 电路结构图如下。按照
进行网络匹配， 在保证回波损耗达到指标要求的情况下， 尽量使用最大增益法设计， 即源和负载均与二端口网络共轭匹配。
图1 系统电路结构图
根据指标要求， 输出脉冲功率为200 w ( 约53 dbm) ， 系统增益为47 db， 所以要求第一级放大器能够承受至少功率为6 dbm 的输入信号; 第二级需要选用增益与输出功率都适中的功率放大器; 末级放大器的输出端要承受53 dbm 的输出功率， 为了保证电路的正常工作， 实际的最大输出功率要比指标要求功率大。
1. 1 各级功率放大器的选取
本系统第一级选取拥有较高增益的低功耗驱动放大器hmc414。该放大器在频段上的增益接近20 db， 最高的输出功率为30 dbm， 可承受10 dbm的输入功率。该放大器外围电路结构简单， 需5 v的供电电压， 电流为300 ma， 有较好的回波损耗， 效率为32% 。如图2 所示， v 为5 v 的直流电压， 由28 v 电压经过分压和稳压器后得到。v cc为5 v，r 为电位器， 根据元件的参数要求， 需要通过调节电位器来保证两个输入端的电压为3. 6 v 左右。电感l 为18 nh， 作为高频扼流。电容c1 作用为隔直，c 2 c6 去除噪声和干扰。tl1 ~ tl3 为50欧姆特征阻抗的微带线。经过调节， 第一级放大电路的实际增益约为18 db， 输出功率约为24 dbm。
图2 第一级功放电路图
第二级功率放大器需要承受功率约为24 dbm的输入信号， 并具备比较高的增益和输出功率。本系统选取mrf6s23100功率放大器。该放大器为ab 类， 在频段上的增益接约15 db， 最高的输出功率为50 dbm，标准工作状态下需28 v的供电电压， 电流为1 000ma，vgs = 2. 8v， 效率为23. 5%。电路如图2所示， 漏极为28 v 的供电电压， 由电压转换器和电位器得到2. 8 v栅极电压， r1 为10 、1 /8w的片状电阻， 用来控制电流，保护电路。实际电路中在漏极多设置了一个电感用做高频扼流。输入和输出线路上的电容c1 和c7 起隔直作用， 其他电容( f级)去除噪声干扰。参数匹配通过微带线完成， 使增益和回波达到指标要求。实际电路的第二级输出功率为39 dbm。
图3 第二级功放电路图。
系统输出脉冲功率为200w， 但为了保证第三级功放拥有良好的线性度、温度稳定性、可靠性使用， 其输出功率一般保持在最大功率的三分之一到二分之一左右。因此， 末级功放采用平衡式结构以满足要求， 使电路最高输出功率在300w 以上。本系统选取mrf6p23190作为末级功放。该放大器为ab类， 在频段上的增益接约14 db， 最高的输出功率为190w， 标准工作状态下需28 v 的供电电压， 电流为1 900ma， vgs = 2. 8 v， 三阶交调为37. 5 dbc， 效率为23. 5%。图4 为单路的末级功放电路图，mrf6p23190本身由是两个放大器合成而来， 供电电压为28 v， 由电压转换器和电位器得到2. 8 v栅极电压。r1、r 2 为240 、1/4w 的片状电阻， 用来控制电流， 保护电路。为实际电路中在漏极设置电感用做高频扼流。输入和输出线路上的电容c 1 ~ c4 起隔直作用， 其他电容( uf级)去除噪声干扰。回波和增益的参数匹配， 功率的合成都通过微带线完成。
图4 末级功放电路( 单路)。
1. 2 平衡式放大电路原理
如图5所示， 平衡式放大电路由两个相同的3 db电桥和两个相同的放大管组成， z0 为50 的电阻。根据3 db电桥的传输特性， 在1端口输入射频信号经过3 db电桥后， 被平均分配到放大管t1 和t2 的输入端口， 其中2端口的射频信号超前3段端口!/2。由于两个放大电路的特性完全一致， 那么放大管t1 和t2 反射的射频信号的幅度将相同， 反射信号经进入3 db电桥。
由于2端口的射频信号超前3端口!/2， 按照3 db 电桥的特性， 合成功率在4端口被电阻z0吸收， 而在1端口没有输出。因此， 即使两个放大电路在输入端产生很大的反射， 在平衡放大电路的射频输入端也不会有射频信号的反射， 实现了很低的输入驻波系数。同理，经过放大电路后的输出信号会在放大电路的输出端口功率合成， 而反射信号则被z0 吸收， 可以大幅度的降低放大电路的输出驻波系数。
图5 平衡式放大器结构原理图。
平衡式放大电路比单端放大器具有更好的稳定性和可靠性， 一旦一路坏掉以后， 放大器仍能工作， 只不过功率增益减小约6 db。此外， 平衡放大电路容易实现级联工作， 由于其输入和输出具有很低的驻波系数，所以便于前级电路和后级电路的独立设计[ 6- 7] 。
本系统的末级输入信号功率约为39 dbm， 经过3 db电桥后分成两路36 dbm 的信号分别进入两路放大器中， 输出功率约为50 dbm的两路输出信号，经3 db电桥后合成为53 dbm 的输出信号。每路放大器承受100w 左右的输出功率， 可以保证系统的可靠性， 稳定性， 并延长了放大器的使用寿命。此系统中， 在末级输出端的3 db电桥所接的负载要能够承受较大的功率。
2 测试结果
根据上述理论和实际要求， 我们设计并绘制了pcb 版图， 如图6， 1为第一级功放hmc414， 2 为第二级功放mrf6s23100， 3为平衡式结构的末级功放mrf6p23190。版图采用双层布线， 将射频线和直流电源线分开， 并在在每级放大器之间设有隔离带， 以降低干扰。
图6 pcb版图。
根据pcb 版图， 我们制作了实际电路板， 如图7所示， 板材型号为tlk 8， 介电常数为2. 55， 介质厚度为0. 76 mm。其输入输出接头为sma 连接器。
如图， 1为第一级功放hmc414，2为第二级功放mrf6s23100，3为平衡式结构的末级功放mrf6p23190。
图7 电路实物图。
封装好的系统如图8 所示， 由于放大器散热量较大， 下面需要安置散热片。
图8 封装后的实物图。
使用安捷伦公司的e5071b 型号网络测试仪测试系统的增益和输入回波损耗。由于系统功率较大， 为保护测试仪器， 需要在系统输出端增加一个30 db的衰减器， 原理图如图9所示。
图9 测试原理图。
如图10所示， 箭头1和2分表示频段起始和终止点， 仪器显示放大器在指定频段内的增益为16. 5 db ~ 18. 5 db， 加上之前的30 db 的衰减， 放大器在指定频段内的增益为46. 5 db ~ 48. 5 db， 满足指标要求。
图10 系统增益测试结果。
如图11所示， 箭头1和2分表示频段起始和终止点， 仪器显示放大器在指定频段内输入回波损耗为- 14. 5 db ~ 20 db， 满足指标要求。
图11 系统输入回波测试结果。
使用rohde&schwarz功率计测量系统的输出脉冲功率， 原理图如图12所示。
图12 测试原理图。
如图13和图14所示， 放大器在输入脉冲信号功率为6 dbm 的时候， 输出功率约为200w， 符合指标要求。由于带宽窄， 在指定频段内输出功率变大不大。
图13 输入功率。
图14 输出功率。
3 结论
本文给出了可用于民用无线通信的200w平衡式脉冲功率放大器， 对系统的原理和方案设计进行了详细的介绍， 充分考虑到高功率， 高增益等主要技术指标要求， 测试证明系统满足指标要求。系统的参数存在改进的空间， 比如由于条件限制， 第二级功率放大器本身可承受的输出功率远大于实际电路中的输出功率，此处可以选择功率较小的放大器来提高对其的利用率， 同时也减小了散热。三级放大器之间的匹配电路也可以有进一步优化的空间， 以此来满足更高指标要求的系统。今后会在以上两个方向做深层次的研究。
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本文考虑到上述因素， 按照系统指标要求， 设计实现了一种拥有200w 输出的功率的脉冲功率放大器。系统采用三级放大级联结构， 第一级采用拥有较高增益的低功耗驱动放大器， 第二级采用增益和功率都适中的功率放大器， 末级采用平衡式结构实现较大的输出功率。
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进行网络匹配， 在保证回波损耗达到指标要求的情况下， 尽量使用最大增益法设计， 即源和负载均与二端口网络共轭匹配。
图1 系统电路结构图
根据指标要求， 输出脉冲功率为200 w ( 约53 dbm) ， 系统增益为47 db， 所以要求第一级放大器能够承受至少功率为6 dbm 的输入信号; 第二级需要选用增益与输出功率都适中的功率放大器; 末级放大器的输出端要承受53 dbm 的输出功率， 为了保证电路的正常工作， 实际的最大输出功率要比指标要求功率大。
1. 1 各级功率放大器的选取
本系统第一级选取拥有较高增益的低功耗驱动放大器hmc414。该放大器在频段上的增益接近20 db， 最高的输出功率为30 dbm， 可承受10 dbm的输入功率。该放大器外围电路结构简单， 需5 v的供电电压， 电流为300 ma， 有较好的回波损耗， 效率为32% 。如图2 所示， v 为5 v 的直流电压， 由28 v 电压经过分压和稳压器后得到。v cc为5 v，r 为电位器， 根据元件的参数要求， 需要通过调节电位器来保证两个输入端的电压为3. 6 v 左右。电感l 为18 nh， 作为高频扼流。电容c1 作用为隔直，c 2 c6 去除噪声和干扰。tl1 ~ tl3 为50欧姆特征阻抗的微带线。经过调节， 第一级放大电路的实际增益约为18 db， 输出功率约为24 dbm。
图2 第一级功放电路图
第二级功率放大器需要承受功率约为24 dbm的输入信号， 并具备比较高的增益和输出功率。本系统选取mrf6s23100功率放大器。该放大器为ab 类， 在频段上的增益接约15 db， 最高的输出功率为50 dbm，标准工作状态下需28 v的供电电压， 电流为1 000ma，vgs = 2. 8v， 效率为23. 5%。电路如图2所示， 漏极为28 v 的供电电压， 由电压转换器和电位器得到2. 8 v栅极电压， r1 为10 、1 /8w的片状电阻， 用来控制电流，保护电路。实际电路中在漏极多设置了一个电感用做高频扼流。输入和输出线路上的电容c1 和c7 起隔直作用， 其他电容( f级)去除噪声干扰。参数匹配通过微带线完成， 使增益和回波达到指标要求。实际电路的第二级输出功率为39 dbm。
图3 第二级功放电路图。
系统输出脉冲功率为200w， 但为了保证第三级功放拥有良好的线性度、温度稳定性、可靠性使用， 其输出功率一般保持在最大功率的三分之一到二分之一左右。因此， 末级功放采用平衡式结构以满足要求， 使电路最高输出功率在300w 以上。本系统选取mrf6p23190作为末级功放。该放大器为ab类， 在频段上的增益接约14 db， 最高的输出功率为190w， 标准工作状态下需28 v 的供电电压， 电流为1 900ma， vgs = 2. 8 v， 三阶交调为37. 5 dbc， 效率为23. 5%。图4 为单路的末级功放电路图，mrf6p23190本身由是两个放大器合成而来， 供电电压为28 v， 由电压转换器和电位器得到2. 8 v栅极电压。r1、r 2 为240 、1/4w 的片状电阻， 用来控制电流， 保护电路。为实际电路中在漏极设置电感用做高频扼流。输入和输出线路上的电容c 1 ~ c4 起隔直作用， 其他电容( uf级)去除噪声干扰。回波和增益的参数匹配， 功率的合成都通过微带线完成。
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由于2端口的射频信号超前3端口!/2， 按照3 db 电桥的特性， 合成功率在4端口被电阻z0吸收， 而在1端口没有输出。因此， 即使两个放大电路在输入端产生很大的反射， 在平衡放大电路的射频输入端也不会有射频信号的反射， 实现了很低的输入驻波系数。同理，经过放大电路后的输出信号会在放大电路的输出端口功率合成， 而反射信号则被z0 吸收， 可以大幅度的降低放大电路的输出驻波系数。
图5 平衡式放大器结构原理图。
平衡式放大电路比单端放大器具有更好的稳定性和可靠性， 一旦一路坏掉以后， 放大器仍能工作， 只不过功率增益减小约6 db。此外， 平衡放大电路容易实现级联工作， 由于其输入和输出具有很低的驻波系数，所以便于前级电路和后级电路的独立设计[ 6- 7] 。
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根据上述理论和实际要求， 我们设计并绘制了pcb 版图， 如图6， 1为第一级功放hmc414， 2 为第二级功放mrf6s23100， 3为平衡式结构的末级功放mrf6p23190。版图采用双层布线， 将射频线和直流电源线分开， 并在在每级放大器之间设有隔离带， 以降低干扰。
图6 pcb版图。
根据pcb 版图， 我们制作了实际电路板， 如图7所示， 板材型号为tlk 8， 介电常数为2. 55， 介质厚度为0. 76 mm。其输入输出接头为sma 连接器。
如图， 1为第一级功放hmc414，2为第二级功放mrf6s23100，3为平衡式结构的末级功放mrf6p23190。
图7 电路实物图。
封装好的系统如图8 所示， 由于放大器散热量较大， 下面需要安置散热片。
图8 封装后的实物图。
使用安捷伦公司的e5071b 型号网络测试仪测试系统的增益和输入回波损耗。由于系统功率较大， 为保护测试仪器， 需要在系统输出端增加一个30 db的衰减器， 原理图如图9所示。
图9 测试原理图。
如图10所示， 箭头1和2分表示频段起始和终止点， 仪器显示放大器在指定频段内的增益为16. 5 db ~ 18. 5 db， 加上之前的30 db 的衰减， 放大器在指定频段内的增益为46. 5 db ~ 48. 5 db， 满足指标要求。
图10 系统增益测试结果。
如图11所示， 箭头1和2分表示频段起始和终止点， 仪器显示放大器在指定频段内输入回波损耗为- 14. 5 db ~ 20 db， 满足指标要求。
图11 系统输入回波测试结果。
使用rohde&schwarz功率计测量系统的输出脉冲功率， 原理图如图12所示。
图12 测试原理图。
如图13和图14所示， 放大器在输入脉冲信号功率为6 dbm 的时候， 输出功率约为200w， 符合指标要求。由于带宽窄， 在指定频段内输出功率变大不大。
图13 输入功率。
图14 输出功率。
3 结论
本文给出了可用于民用无线通信的200w平衡式脉冲功率放大器， 对系统的原理和方案设计进行了详细的介绍， 充分考虑到高功率， 高增益等主要技术指标要求， 测试证明系统满足指标要求。系统的参数存在改进的空间， 比如由于条件限制， 第二级功率放大器本身可承受的输出功率远大于实际电路中的输出功率，此处可以选择功率较小的放大器来提高对其的利用率， 同时也减小了散热。三级放大器之间的匹配电路也可以有进一步优化的空间， 以此来满足更高指标要求的系统。今后会在以上两个方向做深层次的研究。
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