DTV发射机75W射频功放模块的设计与实现

3 仿真与分析  

由2.2中对直流馈电电路的分析可知，模块在工作时功放管的Vgs是动态变化的，这就给射频放大电路的仿真带来了很大的困难，而仿真的目的是要确定合适的匹配网络和静态工作点从而实现模块的主要指标。因此先给功放管一个固定的静态工作点，在此前提下进行仿真，通过定性分析搞清各元件对系统的影响程度，以达到基本满足系统指标的结果。之所以不对直流馈电电路进行全面的仿真是因为其确定性比射频放大部分电路高很多，最后实测得出的偏差可通过调节各差分放大器的反馈电阻来调节。然后在此基础上制板调试，可见，加入直流馈电电路后的动态偏置将进一步提高模块的各项指标。  

3.1 仿真环境  

采用ADS2005A射频仿真软件，安装Freescale射频大功率模块库，选择MRF9060作为功放管。介质基板介电常数为2.65，材料是聚四氟乙烯，介质厚度0.8 mm，传输线厚度忽略不计。功放管的静态工作点设置为Vgs=4.1 V，Vds=30 V。直流电源与功放管的栅极、源极间都有射频线圈，用来隔离射频信号与直流偏置，直流电源与地接大退耦电容，匹配网络传输线之间有串联电容作为级间隔直电容。  

3.2 S21与S11曲线  

系统指标要求170～230 MHz内增益大于20 dB，并且功率平坦度为0.5 dB。射频线圈的值一般取在纳亨(nH)量级，数值较大时，增益越小，陡峭程度越好，反之，增益增大，陡峭程度变差。在射频信号通过耦合器输出后一开始就并联一个纳法(nF)级的可调电容进行滤波。如2.1节所述，有载品质因数QL和带宽紧密相关，决定了S21的主要波形，适当多加几级传输线和并联电容的组合才能满足功率增益的波形。大体调出S21曲线后，再开始协调S21和S11曲线，主要是通过调节集总电容的值及其位置。在基本确定了传输线级数和长度后，再进行布线来合理布局以便占用较小的空间。如图4为仿真结果，S21，S11在工作频带内的值由m1至m5分别标出，可见，S21在带内的波动小于0.65 dB，带内平坦度和带外抑制度有一个权衡。S11在通带中央达到了最小值，即-30 dB左右，但却以通带边缘的反射较大作为代价，即在170 MHz为-8.786 dB，在230 MHz为-10.78 dB，还有待进一步改善。  


  
3.3 三阶IMD与1 dB功率压缩点的仿真  

在大功率工作情况下，线性度对保证信号的质量尤为重要。功放的线性度主要由三阶IMD和1 dB功率压缩点这两个指标来表征，设计如下的仿真模型检验模块的可靠性。  

仿真模型的射频输入端为双音输入信号，频率间隔为1 MHz且功率相同，图5为功率仿真曲线示意图，m1，m2与m3，m4分别表示有用输出信号和三阶交调信号的功率值，并且得到三阶IMD。在工作频带的不同频率下，对射频输出信号的功率值进行扫描，图6即为功放模块的三阶IMD在大功率输出情况下在工作频带内的三阶交调信噪比特性仿真曲线，曲线m1，m2，m3分别表示在170 MHz，200 MHz，230 MHz时的情况。可以看到，三阶IMD在170～230 MHz的工作频带内基本保持稳定，有较高的频率稳定性；三阶IMD在输出功率为45 dBm时好于-20 dBc，在40 dBm情况下好于-42 dBc；三阶交调截点IIP3由曲线拟合得出为44.315 dBm，结果较为满意。  


  
图7为功放模块的增益在不同频率下对输出功率的扫描曲线，m1，m2，m3分别为170 MHz，200 MHz，230 MHz频率下的增益；可见，1 dB功率压缩点在170 MHz下略差，为47.6 dBm，而在工作频带内一般都大于48.75 dBm(75 W)，从而满足了最大75 W线性功率输出的要求。  


  
4 测试结果  

带宽指标和线性度要求选择合适的器件及电路形式；可靠性上需要设计保护电路并在故障条件下提供有效的保护。上述设计及仿真验证基本符合以上原则。按照仿真的参数制作印刷电路板，即介质厚度0.8mm，介电常数2.65，铜片厚度0.035 mm。  

模块的调试与测试过程如下，直流电源典型输入为30 V，然而在25～32 V间的输入电压都能有效工作。当供电大于32 V后，过压保护电路开始工作，提高了减法器的负输入端电平，使得Vgs降低，有效地保护了功放管。调整电位器，可以测得Vgs的动态范围为3.6～4.1V，与设计的预期要求一致。用网络分析仪调试S21和S11曲线，要注意待测器件DUT后需要接30dB或40 dB的衰减避免仪器的损坏。类似于仿真过程，通过调整匹配网络中各集总参数的值和位置，获得理想的S21和S11曲线。当Vgs=3.9 V时，静态电流为1.7 A，带内增益为20 dB，平坦度小于1 dB，3 dB带宽为150～240 MHz。在频率低端的抑制度不如高端陡峭，这可以通过调节输入端带通滤波器的可变电容来加以调节改善。增益的调节范围为18～22 dB。S11曲线调试的结果比仿真更为理想，带内增益达到了-20 dB以下。  

以下对功放模块驱动数字电视信号时的性能加以测试：信源MPEG-2视频流输入到调制器，产生与DVB-T兼容的COFDM信号，中频36 MHz变换到功放的工作频带200 MHz，频谱宽度配置为8 MHz。功放模块驱动该功率信号后，当输出功率信号有效值为10 W时，信号获得20 dB的功率增益，带内的DVB-T信号信噪比为28 dB，测试表明驱动性能良好，功放模块性能符合设计要求，如表1所示。