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1、100W功放设计方案一、功放设计指标:1、频率范围:68MHz-2400MHz (分7段),即68MHz 120MHz120MHz 200MHz200MHz z 350MHz350MHz z 600MHz600MHz 1000MHz1000MHz 1800MHz1800MHz 2400MHz2、增益:40dB3、功率:50dBm4、带内平坦度:+/- 3dB5、谐波抑制:=50dB二、监控功能:1、前向功率检测2、功放故障告警3、功放开关三、方案设计:本功放为100W大功率宽带功放,为宽带匹配,采用传输线变压器作输入输出匹配,功放管采用推挽结构。线性要求为谐波抑制,对三阶互调要求不高,为简化设
2、计,可在功放输出接一低通滤波器,滤除谐波分量,末级功放可以饱和功率输出,推动级为防止非线性叠加,采用功率回退。现以600MHz1000MHz功放为例说明。功放管选择:采用Polyfet公司的SK202、LK802和LB401。功放模块框图如下:100W功放由四级放大器级联组成,各级指标如放大级管子输出幅度(dBm)增益(dB)形式第一级AH1011413单管第二级SK2022713推挽第三级LK8024012推挽第四级LB4015010推挽四、器件介绍:1、AH1O1:Frequency RangeS21 - GainUnits Min. Typical Max.MHz50-1500dB 12
3、13.5Sil - Input Return LossS22 - Output Return LossOutput IP3Output PldBNoise FigureOperating Current RangeSupply VoltagedBdBdBmdBmdBmAV+43170-20-13+47+275.02009.0230应用电路:Schematic2、SK202:AK PACKAGE GATESOURCE3、LK802:SILICON GATE ENHANCEMENT MODERF POWER VDMOS TRANSISTOR10.0 Watts Push - PullPackage
4、 Style AKHIGH EFFICIENCY, LINEARHIGH GAIN, LOW NOISEROHS COMPLIANTSILICON GATE ENHANCEMENT MODERF POWER LDMOS TRANSISTOR45.0 Watts Push - PullPackage Style AKHIGH EFFICIENCY, LINEARHIGH GAIN, LOW NOISEROHS COMPLIANT4、LB401:GATE VGATESILICON GATE ENHANCEMENT MODEDRAIN/ DRAIN牙SOURCERF POWER LDMOS TRAN
5、SISTOR130.0 Watts Push PullPackage Style LBHIGH EFFICIENCY, LINEARHIGH GAIN, LOW NOISEROHS COMPLIANT五、匹配设计:以LB401为例,其输入输出阻抗为:Zin Zout由图可见,LB401管子在1000MHz时Zin=1.4j3.6, Zout=2+j6.8o因管子在600MHz1000MHz宽带工作,考虑到低频增益大,高频增益小,阻抗匹配在高频,低频造成一定的失配,使整个频带内增益波动比较小。故采用1000MHz时的阻抗值为匹配阻抗,为最大功率传输,采用共粗匹配。为宽带匹配,匹配电路采用传输线变
6、压器,传输线变压器形式为1:1的不平衡平衡变换和4:1的平衡-平衡变换。首先把管子的阻抗通过微带混合电路匹配到12.5欧姆,微带混合电路中电感一般采用一段高阻微带线来实现,电容采用集总参数的微调电容,这样可以进行适当调整。然后通过4:1的平衡.平衡传输线变压器,把12.5欧姆转换到50欧姆,再通过一个1:1的传输线变压器进行平衡到不平衡变换。如图:MOSreT在大信号模型下,功放的输入输出阻抗和工作点有密切关系,静态工作点不同,输入输出阻抗就有差异,本级的静态工作点为Vdd=28V, Idq=600mA。传输线变压器采用半刚性同轴电缆,因本频段低端为600MHz,不采用磁环。还采用负反馈方法来
7、改善功放性能。六、其他电路设计:1、馈电电路:漏极馈电:采用并馈方式,即电源、功放管和负载是并联在一起的。对并馈电路,隔直电容的容抗和高频扼流圈的感抗可按下列经验公式计算:Xc=1/(520)*R()Xl=(520)*R0R0为输出回路有载等效阻抗原则上,高频扼流圈的电感量选大点好,但电感量太大可能导致线圈的圈数过多,加大了线圈的分布电容,破坏扼流圈的“扼流”作用,同时电感量过大,对低频压降也大,容易产生低频寄生振荡,所以要综合考虑选择电感量。为了滤除电源中的干扰频率,也防止寄生振荡,通常把频率特性不同的(高频,中频,低频)几种电容并联起来作为滤波使用。栅极馈电:LB401为增强型管子,当栅极
8、电压超过门限电压时;管子才导通,栅极电压确定管子的静态工作点。使用稳压管来给栅极提供稳定的电压,为防止温度变化,管子的静态工作点发生漂移,使管子的线性,功率,效率等指标变差,使用二极管进行温度补偿。2、功放故障检测:功放故障检测重点是对功放的栅压进行检测,当管子损坏时.,栅压会变低,通过和一个基准电压比较而得出管子是否已损坏。3、功放开关电路:如图,利用三极管的饱和截止来对栅极电压进行开关,达到对功放管的开启和关断作用。4、功率检测:采用AD8314进行功率检测,其特性为:FEATURESComplete RF Det ecto r/C on troll er FunctionTypical
9、Range -58 dBV to -13 dBV-45 dBm to 0 dBm re 50 CFrequency Response from 100 MHz to 2.5 GHzTemperature-StabIe Linear-in-dB ResponseAccurate to 2.5 GHzRapid Response: 70 ns to a 1 0 dB StepLow Power: 12 mW at 2.7 VPower-Down to 20 pi AAPPLICATIONSCellular Handsets (TDMA, CDMA, GSM)RSSI and TSSI for Wi
10、reless Terminal DevicesTransmitter Power Measurement and Control(-52dBm) INPUT AMPLITUDE -dBV (-2dBm)mpaoaawFigure 1. VUP vs. Input Amplitude0(-47dBm) INPUT AMPLITUDE - dBV (*3dBm)Figure 4. Log Conformance vs. Input Amplitude前向功率检测电压经过放大和比较,控制前端的衰减器,来对输出功率进行自动电平控制,使输入功率突然增大,输出功率也能保持不变。衰减器为MA4P274,内部
11、由四只PIN二极管组成的,如图:PIN 3:RF OutPIN 2:Series BiasPIN 4:Shunt 1 BiasPIN 5 :Shunt 2 Bias为防止负载开路,功率全反射,把管子烧毁,对反向功率进行检测,同样采用AD8314进行检测,检测电压经过放大和一基准电压比较,若大于基准电压,就通过功放开关来关闭功放,起到保护作用。七、总结:本功放设计前期花了一些时间进行对管子的选型,因频率达到1G而且功率达到100W的宽带管子比较少,开始选了 GaN材料的管子,此材料的管子在高频,功率和宽带方面有非常好的性能,可考虑到成本和采购的难度方面,还是选择性价比比较高的LDMOS材料的管子
12、。因刚进公司,对公司一些资源还不甚了解,如一些功放管型号,那些功放管已成熟利用,库存有现货和采购周期等。在利用公司资源方面还存在不足。对管子的选型都是通过网络查询,在几个厂家MA-COM, NXP, Polyfet, Semelab, Nitronex, Infineon, TriQuint 中选择,对管子的性能进行比较。为尽量减少管子的类型,最后选择Polyfet公司的管子,选择同一型号,通过不同的匹配电路来完成不同频段的设计。因和采购人员与功放管代理商沟通比较少,对管子的价格和采购周期还不清楚,这将对成本和完成时间造成一定影响。之前没有设计过宽带功放,经验不足,虽能使用ADS仿真设计,可管子模型没找到,而且还在学习中。所以理论仿真方面不足,只能通过经验和调试来弥补。