數(shù)字電視發(fā)射機射頻功放模塊的設(shè)計分析

【摘要】本文對一種數(shù)字電視發(fā)射機的RF功放模塊的原理和設(shè)計進行了分析。該RF功放模塊的工作頻率范圍是170～230 MHz，功率為75W， 功率器件采用LDMOS技術(shù)的MRF9060，經(jīng)試驗測試，功放模塊的各種指標(biāo)符合數(shù)字電視發(fā)射機的要求。

【關(guān)鍵詞】RF放大電路；直流偏置電路；仿真與測試

功率放大器件的特性曲線是非線性的，導(dǎo)致功放管在工作時會產(chǎn)生非線性失真，輸出功率增大時，非線性失真隨之變大。本設(shè)計的功放模塊采用的LDMOS器件的MRF9060的帶內(nèi)增益20dB以上，靜態(tài)工作點為Vds=28～32V，Vgs=3.7～4.1V，回波損耗15dB。RF功放模塊由RF放大電路和直流偏置電路構(gòu)成。RF信號功率放大電路決定了功放的增益，線性度，平坦度，功率大小等性能指標(biāo)。直流偏置電路為功放管提供了偏置電壓和保護措施，同時利用負(fù)反饋技術(shù)溫度補償來提高功放的線性度。

一、RF放大電路

RF功放模塊電路采用的電路結(jié)構(gòu)為平衡放大器形式，由兩個3dB耦合器和兩路匹配放大電路構(gòu)成。RF信號送至3dB耦合器后被分成兩路信號，其中一路信號被90°移相，兩路信號同時放大，另一路放大的RF信號在輸出耦合器被90°移相，兩路信號恢復(fù)同相，合成功率輸出，兩個3dB耦合器的另一端分別接50Ω負(fù)載。電路框圖如圖一所示。

功率放大器芯片LDMOS器件MRF9060為N溝道增強型場效應(yīng)管，具有良好的散熱特性。它的高集成無源區(qū)域和有源區(qū)域取代了傳統(tǒng)功放芯片的分離區(qū)，便于構(gòu)成內(nèi)部輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，金屬化柵極構(gòu)造結(jié)構(gòu)增加了增益，減少了串聯(lián)電阻。MRF9060采用的工作模式為共源級，柵極和漏極之間具有減少反饋電容的屏蔽層。柵極有較長的長度滿足了大范圍的線性和動態(tài)增益的要求。耐反射能力較強，在駐波比SWR<10的條件下能穩(wěn)定工作，工作于甲乙類，柵極和源極之間的電壓Vgs決定了功率增益。當(dāng)輸入的RF頻率在945MHz時，MRF9060的最大輸出功率為60W，增益為17dB，三階交調(diào)為-31dBc，效率可達(dá)40%。但為了保證線性度和工作穩(wěn)定性，延長器件使用壽命，一般選擇輸出功率在最大輸出功率的三分之一到二分之一之間，本功放模塊由兩片MRF9060組成輸出功率為75W。在源和負(fù)載之間插入一個輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，為了獲得最大功率輸出，反射最小，要求兩者之間呈阻抗共軛相等。由于電感比電容損耗的電阻性大，設(shè)計上采用多段微帶線配置并聯(lián)電容的匹配網(wǎng)絡(luò)來克服分立元件的寄生效應(yīng)。通過史密斯原圖來確定匹配阻抗和源阻抗之間的位置，采用并聯(lián)電容和串聯(lián)傳輸線的方式實現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換?？梢酝ㄟ^改變電容的位置來確定阻抗匹配的位置。

二、直流偏置電路

減法器電路穩(wěn)壓電路、分壓網(wǎng)絡(luò)電路、過壓保護電路和負(fù)反饋電路構(gòu)成了直流偏置電路。引入30VDC的直流電源，通過15V穩(wěn)壓塊獲得15VDC的直流電壓作為減法器和負(fù)反饋電路的電源VCC。減法器由運算放大器LM7171構(gòu)成，分壓網(wǎng)絡(luò)由固定分壓和可調(diào)分壓網(wǎng)絡(luò)組成。15VDC一路通過固定分壓網(wǎng)絡(luò)后的直流電平為6.7V，另一路由可調(diào)分壓網(wǎng)絡(luò)調(diào)整后的輸出電壓為3.9～4.5V作為減法器的輸入在減法器的輸出端獲得3.6～4.1V的直流電壓作為MRF9060的柵極偏置電壓，通過調(diào)整可調(diào)分壓網(wǎng)絡(luò)的電位器可以獲得不同的Vgs，來控制功放模塊的增益。

兩個三極管9013級聯(lián)組成過壓保護電路，30VDC的直流電源經(jīng)穩(wěn)壓二極管V1后獲得12V。電路如圖二所示。穩(wěn)壓二極管V2輸出2V，由R3，R4分壓后，三極管V3的基極電壓約為0.1V，三極管V3仍截止。三極管V4的基極電壓約為0.7V，V4導(dǎo)通，輸出近似接地，連接到分壓網(wǎng)絡(luò)作為參考電位。當(dāng)輸入電壓過大時，V3導(dǎo)通，V4的基極電壓將維持在約0.2V而不能導(dǎo)通，相當(dāng)于可調(diào)分壓網(wǎng)絡(luò)串入了高阻抗，增大了減法器的輸入端電壓，截止了功率器件MRF9060的輸出，起到了保護功放管的作用。同時采用反饋電路可以在一定程度上克服系統(tǒng)的非線性。LM7171差分放大器組成的反饋電路滿足了大范圍的RF功率反饋輸入，使輸出功率的范圍得到了擴大。

三、仿真與測試

功率器件的Vgs的動態(tài)變化特性給仿真帶來了困難。通過仿真獲得合適的靜態(tài)工作點和匹配網(wǎng)絡(luò)，通過定性分析來判別系統(tǒng)的各部分對整體輸出地影響。采用的仿真軟件為安裝了FreescaleRF功率模塊庫的ADS2005A，選取功率器件MRF9060，介電常數(shù)是2.65的聚四氟乙烯材料作為基板，厚度為0.8mm，傳輸線厚度0.035 mm。設(shè)置功率器件的靜態(tài)工作點為Vgs=4.1V，Vds=30V，在功率器件MRF9060的電源與柵極和源極之間加入隔離射頻的RF線圈，直流電源接有去耦電容，匹配網(wǎng)絡(luò)和傳輸線之間串聯(lián)隔直流電容。具體指標(biāo)為在170～230MHz頻率范圍內(nèi)增益不低于20dB，功率平坦度小于0.5dB。RF線圈的取值為nH級，取值較小時，增益較大，增益曲線坡度較緩；取值較大時增益較小，增益曲線坡度較陡。品質(zhì)因數(shù)和帶寬緊密相關(guān)，決定了增益曲線的波形，可以通過增加多級傳輸線和并聯(lián)電容的的方式來滿足增益曲線的要求。當(dāng)調(diào)整出大致的增益曲線后，開始調(diào)整回波損耗曲線，通過調(diào)整電容值的大小和位置來確定，經(jīng)過調(diào)整確定了傳輸線的長度和級數(shù)后，再進行合理布線和制版。輸出功率較大時，線性度會變差，功放器件的線性度由三階互調(diào)和1dB功率壓縮點決定。仿真模型的RF輸入端為雙音頻信號，功率相同且頻率間隔為1MHz。在工作頻帶內(nèi)的不同頻率下對RF輸出信號的功率進行掃描。在工作頻率170～230MHz的范圍內(nèi)，三階互調(diào)較為穩(wěn)定，具有較高的頻率穩(wěn)定性，在輸出功率為45dBm時優(yōu)于-20dBc，輸出功率為40dBm優(yōu)于-40dBc。當(dāng)頻率低于170MHz時，1dB功率壓縮點為47.6dBm，在170～230MHz的工作頻帶內(nèi)，1dB功率壓縮點大于48.75dBm（75W），滿足設(shè)計要求。根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計印制板，選擇介電常數(shù)為2.65的聚四氟乙烯材料，δ=0.8mm，覆銅厚度為0.035mm。直流電源為30VDC，調(diào)整電位器設(shè)置靜態(tài)工作點的范圍在3.6～4.1V之間。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)試增益曲線和回波損耗曲線。通過調(diào)整靜態(tài)工作點在3.9V，靜態(tài)電流為1.7A時，具有較好的技術(shù)指標(biāo)。帶內(nèi)平坦度小于1dB，增益高于20dB，回波損耗最小。

結(jié)束語

本設(shè)計對RF功率放大模塊的各部分功能電路進行了細(xì)致的分析，充分考慮了系統(tǒng)的增益，線性度，平坦度，回波損耗等指標(biāo)，通過仿真和實際測試驗證了設(shè)計功放模塊的功能，證明了設(shè)計方案適用于數(shù)字電視發(fā)射機的使用要求。