DTV发射机75W射频功放模块的设计与实现

1 引言  

近年来，射频电路在数字电视中得到广泛应用，作为数字电视发射机中十分重要的大功率功放模块，如何做到功率、增益与线性度的最优化是当前的重要课题。由于功放管特性曲线的非线性，在大信号情况下工作的功放会产生非线性失真，功放管输出功率越大，非线性失真也越严重。功放管的热稳定性和过压保护，也是设计功率放大器的特殊要求。按照系统指标要求，设计实现了一种可用于数字电视发射机的75 W大功率的功放模块。其系统的工作频段为170～230 MHz，功放管的静态工作点为Vds=28～32 V，Vgs=3.7～4.1 V，带内增益20 dB以上，线性功率最大输出为75 W，回波损耗15 dB。  

2 原理及设计方案  

功放模块在功能上可以分为射频放大电路和直流馈电电路。射频放大电路进行射频信号功率放大，它是功放的主体部分，决定了功放的主要性能指标，如增益、输出功率、功率平坦度、线性度等。直流馈电电路为功放管提供可调的电压偏置，有合理的保护措施来防止功放管的损坏，提供温度补偿并采用负反馈技术以提高线性度。  

2.1 射频放大电路  

图1为射频功放模块放大部分的电路原理框图，采用平衡放大器的结构，射频信号首先进入3 dB耦合器，将射频信号一分为二，并将其中一路引入90°的相移，分别进行功率放大，然后再由输出耦合器引入90°附加相移使两路信号恢复同相，将输出功率合成。另外，3 dB耦合器的另一端接50 Ω的负载。  


  
功放管选择的是Freescale公司的MRF9060，它采用横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)技术的N沟道增强型场效应管。LDMOS管用高集成无源和有源区域来代替传统的大功率射频芯片分立的有源区，比较容易组成内部输入输出匹配网络，金属化栅极可以减少串联电阻、增加功率增益。MRF9060采用共源的工作模式，具有良好的散热特性。栅、漏极之间屏蔽层降低了反馈电容，较长的栅极长度可满足较大范围的动态增益和线性要求，具有良好的抗失配能力(SWR输入输出匹配网络是在源和负载之间插入一个无源网络，使得两者间的阻抗共轭相等，反射最小，从而形成最大功率传输。随着频率增高分立元件的寄生效应会非常明显，而电感相对于电容有更高的电阻性损耗，所以在设计中采用了几段微带传输线间隔配置并联电容的复合型匹配网络。具体设计流程如下：首先在Smith圆图上确定源阻抗和匹配阻抗的位置，通过串联传输线和并联电容来进行两者间的阻抗转换。需要注意的是，稍稍改变电容的位置，就会在很大程度上影响到最终的阻抗值，因此在定位时需要仿真结合实测来精确定位。根据微波电路理论，两段传输线的总长不变，通过改变并联电容在两者之间的位置就可以获得很大的阻抗匹配范围。在设计匹配网络时还要考虑有载品质因数QL，表示为


  
式中；f0为中频频率；BW为带宽。由公式(1)可知，带宽指标决定了系统的QL，而QL又由Smith圆图上各节点的最大品质因数Qn来决定，因此必须以适当增加电路元件的数量为代价来调整系统带宽的自由度，以便寻找一种满足带宽指标的阻抗匹配网络电路形式。  

2.2 直流馈电电路  

直流馈电电路主要由稳压电路、四路分压网络、两路减法器、过压保护电路和负反馈电路组成，其原理框图如图2。首先30 V直流电压源进入稳压电路，稳压芯片采用L78M15，输出15 V的直流稳压，分别为减法器和负反馈电路的各芯片提供Vcc。同时15 V电压分成两路，通过分压网络和减法器分别提供两片MRF9060的Vgs，减法器采用两片高速运放LM7171。减法器的正输入端为通过固定分压网络后的直流电平6.7 V，另一路通过可调的分压网络后，输出3.9～4.5 V到减法器的负输入端，这样在MRF9060的栅极可获得3.6～4.1 V的电压，通过调节分压网络中电位器决定不同的Vgs，从而调节整个功放模块的增益。而MRF9060的漏源电压Vds由30 V直流电压源提供。  


  
过压保护电路由两个三极管9013级联构成，见图3。在30 V直流电压输入下，经过稳压二极管DZ1后输出为12 V，再经过DZ3后输出为2 V，经过R30和R34的分压，BG2的基极电压为0.1 V左右，因此BG2未导通，这样BG3的基极电压达到了0.7 V，BG3导通，这样由于三极管的开关特性，Rce很小，Vce为0.2 V左右，这样Vout可近似看成接地，且连接到可调分压网络，作为其参考电位。而当输入电压过大时，BG2管会导通，这样BG3的基极就会被限制在0.2 V左右，使得BG3截止，这样相当于可调分压网络中串入了100 kΩ以上的Rce，使得减法器负输入端增大，输出Vgs变小，使MRF9060截止，保护了功放管。  


  
反馈电路可以提高系统的线性度。功放模块一方面要考虑效率，另一方面由于多电平调制技术的需要，需克服非线性。可以用信号与三阶交调的信噪比来表示系统的线性化程度，如下式


  
式中：G1(V／(V·W))，A1(rad／W)分别是AM-AM，AM-PM转换系数；G0为系统的线性增益；Pin是输入平均功率。可以看出，随着输入功率的不断提高，功放接近饱和，信噪比极大，因此必须通过反馈来降低AM-AM转换系数，使得增益保持在一个稳定的值上。在闭环状态下，射频信号输入通过二极管进行功率检波，得到的功率包络通过一级运放进行电平系数调整，最后输入到两路减法器的反向输入端，从而调节Vgs来控制功放的增益。反馈电路采用LM7301构成差分放大电路，可以保证较大范围的射频功率反馈输入，增加系统输出功率的动态范围。另外，LM7301和LM7171具有相同的温度特性，反馈电路在开环状态下还能补偿温漂给两路减法器带来的噪声，有良好的温度稳定性。