寬頻段大功率射頻前端的設(shè)計(jì)問(wèn)題

陳 斌，黎紹峰，牛紹伍

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 聯(lián)合通信公司，廣東 廣州 510663)

寬頻段大功率射頻前端的設(shè)計(jì)問(wèn)題

陳 斌，黎紹峰，牛紹伍

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 聯(lián)合通信公司，廣東 廣州 510663)

軍用寬頻段通信系統(tǒng)通常配置跳頻濾波器以獲得更好的抗干擾性能。這類系統(tǒng)的射頻前端在發(fā)射時(shí)，易產(chǎn)生異常雜散。在大功率工作時(shí)，整機(jī)功率平坦度變差、定向耦合器產(chǎn)生額外諧波能量、跳頻濾波器不僅表現(xiàn)為諧波抑制能力下降，還將導(dǎo)致鄰信道功率比惡化。文中通過(guò)分析射頻前端各模塊級(jí)聯(lián)后相互間的影響，以及各模塊在通過(guò)大功率時(shí)特性的改變來(lái)闡明上述問(wèn)題的原因，提出了相應(yīng)的解決措施，這些措施在工程實(shí)踐中已得到了有效應(yīng)用。

寬頻段；雜散；平坦度；諧波；鄰信道功率比

大功率射頻前端，又稱射頻發(fā)射前端，通常由功放、大功率帶通濾波器和定向耦合器等組成。不同于小信號(hào)射頻前端，射頻前端的各組成部分在大功率狀態(tài)下，其狀態(tài)將發(fā)生改變，與小信號(hào)狀態(tài)有較大區(qū)別。因此，大功率射頻前端的整體性能并不是由各級(jí)電路的射頻參數(shù)線性相加而得到的，會(huì)出現(xiàn)一些大信號(hào)情況才有的特殊問(wèn)題。近年來(lái)在軍用通信領(lǐng)域，隨著通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜化，單機(jī)設(shè)備的工作頻段有不斷拓展的趨勢(shì)，出現(xiàn)了大量的寬頻段通信設(shè)備，頻率跨度達(dá)10個(gè)倍頻程以上。同時(shí)，設(shè)備使用環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，因此在寬頻段的大功率射頻前端中，為提高抗干擾能力，通常采用中心頻率可快速切換的跳頻濾波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固定波段帶通濾波器[1]。工程實(shí)踐表明，在引入了跳頻濾波器后，進(jìn)一步增加了大功率寬頻段射頻前端的復(fù)雜性和實(shí)現(xiàn)難度。

1 寬頻段大功率射頻前端問(wèn)題

圖1是目前常用的一種寬頻段大功率射頻前端的架構(gòu)方式[2]。射頻信號(hào)經(jīng)小功率跳頻濾波器后，進(jìn)入大功率放大器，再用大功率的跳頻濾波器濾除諧波和寬頻段噪聲，經(jīng)定向耦合器傳輸給天線。

圖1 寬頻段大功率射頻發(fā)射系統(tǒng)

這種架構(gòu)具有優(yōu)異的電磁兼容和抗干擾性能[3]，但相對(duì)于寬帶小信號(hào)射頻前端或窄帶大功率射頻前端，存在以下問(wèn)題：

(1)個(gè)別頻段雜散指標(biāo)惡化。正常情況下，寬頻段大功率射頻前端輸出有用頻率信號(hào)的同時(shí)，也會(huì)輸出一些微弱的雜散信號(hào)。但在異常情況下，在部分工作頻點(diǎn)上，存在以工作頻率中心對(duì)稱的雜散信號(hào)，其幅度可達(dá)-40 dBc以上，嚴(yán)重超標(biāo)，如圖2所示。對(duì)于寬頻段射頻發(fā)射系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種問(wèn)題較容易出現(xiàn)；

圖2 雜散惡化示意圖

(2)各模塊級(jí)聯(lián)后整體功率平坦度變差。射頻前端的功放級(jí)輸出功率具有良好的平坦度，同時(shí)功放后級(jí)的大功率跳頻濾波器和定向耦合器級(jí)聯(lián)后的插損值在整個(gè)工作頻段內(nèi)有良好的一致性，且反射損耗<-18 dB。當(dāng)把整個(gè)射頻前端連通后，最終輸出的功率和理論計(jì)算有較大差距，導(dǎo)致功率平坦度較差；

(3)定向耦合器對(duì)諧波的增強(qiáng)作用。經(jīng)過(guò)良好濾波的大功率射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)定向耦合器后，諧波能量會(huì)大幅增強(qiáng)，導(dǎo)致諧波抑制指標(biāo)不合格；

(4)跳頻濾波諧波抑制能力下降。在小功率發(fā)射系統(tǒng)中，隨著輸出功率的上升，濾波器對(duì)于諧波的抑制能力保持不變。但在大功率工作條件下，功放級(jí)后的大功率跳頻濾波器對(duì)諧波的抑制能力有明顯下降。在諧波指標(biāo)要求較高時(shí)，通過(guò)串聯(lián)多個(gè)濾波器仍無(wú)法有效濾除諧波。如果用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量串聯(lián)后的濾波器，測(cè)得在諧波點(diǎn)處的抑制能力完全能滿足指標(biāo)要求；

(5)跳頻濾波器導(dǎo)致鄰信道功率比惡化。在某些工作頻點(diǎn)處，信號(hào)經(jīng)過(guò)大功率跳頻濾波器后，鄰信道功率比會(huì)有嚴(yán)重的惡化，不能滿足設(shè)計(jì)要求。若采用大功率機(jī)械可調(diào)腔體濾波器代替跳頻濾波器，則無(wú)此現(xiàn)象。

2 原因分析及解決措施

2.1 個(gè)別頻段雜散指標(biāo)惡化

在進(jìn)行功放的穩(wěn)定性仿真時(shí)，一般只考慮功放輸入輸出端均接50 Ω匹配負(fù)載的情況[4]。而在寬頻段大功率射頻前端中，由于引入了中心頻率可快速變換的跳頻濾波器，只有在當(dāng)前工作頻點(diǎn)處的一段帶寬內(nèi)滿足50 Ω匹配。而在跳頻濾波器的帶外，對(duì)功放而言則處于全反射的失配狀態(tài)，易引起功放的自激。自激信號(hào)和有用信號(hào)通過(guò)功放的非線性放大又產(chǎn)生大量的組合頻率。由于跳頻濾波器的帶寬較窄，只能觀察到當(dāng)前工作頻率附近的頻率組合。解決此問(wèn)題的方法是在功放中增加一些穩(wěn)定措施，如在功放內(nèi)部的射頻通路上引入一些有耗器件，可大幅提高功放的穩(wěn)定性[5]。

2.2 輸出功率平坦度較差

在大功率條件下，發(fā)射系統(tǒng)的功率之所以和各級(jí)電路性能參數(shù)的簡(jiǎn)單相加的結(jié)果有較大差別，是因?yàn)楣β史糯笃髟诮咏柡偷臅r(shí)候，其輸出功率不僅和負(fù)載在當(dāng)前工作頻點(diǎn)上的阻抗特性相關(guān)，而且還和負(fù)載在當(dāng)前工作頻點(diǎn)的諧波頻點(diǎn)上的阻抗特性相關(guān)[6]。由于功放后面的負(fù)載不是標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω，而是對(duì)諧波進(jìn)行全發(fā)射的大功率跳頻濾波器，因此功放的輸出功率受到諧波阻抗強(qiáng)烈的影響。

解決平坦度問(wèn)題，首選功率閉環(huán)的方法，目前常用的有模擬閉環(huán)和數(shù)字閉環(huán)[7]。有些先進(jìn)的數(shù)字閉環(huán)方式還能同時(shí)計(jì)算天線入射波和反射波的能量，從而獲取天線實(shí)際輻射出的能量，再通過(guò)比較處理，使天線的輻射能量控制在所需的范圍內(nèi)[8]。隨著數(shù)字芯片處理能力的不斷提高，數(shù)字閉環(huán)是一個(gè)必然趨勢(shì)。

在不具備功率閉環(huán)的場(chǎng)合，應(yīng)設(shè)法減小濾波器的諧波阻抗對(duì)功放的影響。帶外吸收式濾波器除了保持傳統(tǒng)的濾波能力，還能使濾波器在諧波頻點(diǎn)處的輸入阻抗保持在50 Ω，對(duì)諧波全吸收[9]。因此，對(duì)功放而言，帶外吸收式濾波器的引入相當(dāng)于在功放后端連接一個(gè)全頻段匹配負(fù)載，功放輸出功率的能力不受影響。如果采用傳統(tǒng)的反射式濾波器，可以通過(guò)調(diào)整功放輸出端到大功率跳頻濾波器的射頻電纜的長(zhǎng)度，以改變?yōu)V波器諧波阻抗的相位，從而調(diào)整功放在特定頻點(diǎn)的飽和輸出功率，優(yōu)化電臺(tái)在整個(gè)工作頻段內(nèi)的平坦度。

2.3 定向耦合器對(duì)諧波的增強(qiáng)作用

目前常用的寬帶定向耦合器分為磁環(huán)變壓器耦合器和平行線耦合器兩種類型。磁環(huán)變壓器耦合器因在低頻段具有良好的拓展性和明顯的體積優(yōu)勢(shì)，在短波和超短波波段獲得了廣泛應(yīng)用。這種變壓器依賴磁環(huán)來(lái)達(dá)到減小體積的目的。但磁環(huán)作為一種磁性元件，具有較強(qiáng)的非線性特件[10]。當(dāng)磁環(huán)通過(guò)大功率射頻信號(hào)后，會(huì)增強(qiáng)諧波能量。因此在體積允許的條件下，應(yīng)盡可能地選用平行線耦合器。如果體積不允許而必須采用磁環(huán)變壓器耦合器的場(chǎng)合，則盡量選用磁導(dǎo)率小的磁環(huán)。在極端情況下，可在定向耦合器后加一個(gè)低通濾波器以降低諧波。實(shí)踐表明，低通濾波器的反射系數(shù)應(yīng)盡量<-18 dB，否則將惡化定向耦合器的方向性。

2.4 跳頻濾波器諧波抑制能力下降

大功率發(fā)射時(shí)，跳頻濾波器諧波抑制能力下降主要有以下兩種：(1)在電臺(tái)中大功率跳頻濾波器常見(jiàn)有固定波段切換和諧振電容開(kāi)關(guān)矩陣[11]兩種方式，而后者因體積較小、成本更低得到了更廣泛的應(yīng)用。這兩種方式的濾波器均依賴大功率PIN管的來(lái)實(shí)現(xiàn)工作頻段的切換。PIN管是一種半導(dǎo)體器件，具有一定的非線性特性，當(dāng)通過(guò)其中的功率較大時(shí)，這種非線性特性將明顯加強(qiáng)[12]，甚至影響整機(jī)指標(biāo)。解決這類問(wèn)題的方法是采用更大功率等級(jí)的PIN管，并優(yōu)化電路參數(shù)，使PIN管上的電壓、電流控制在合理范圍內(nèi)。在跳頻濾波器后加一級(jí)諧波濾波器也是當(dāng)前解決該類問(wèn)題的通用方法；(2)在通信系統(tǒng)中常用的大功率濾波器有腔體濾波器和LC集總參數(shù)濾波，或者是兩種方式的結(jié)合。而LC濾波器因體積和成本優(yōu)勢(shì)在低頻段得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于材料、工藝等原因，LC濾波器存在微弱的非線性[13]，無(wú)法徹底濾除諧波。在實(shí)踐中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過(guò)大功率后，就諧波抑制能力而言，多個(gè)LC濾波器串聯(lián)和單個(gè)濾波器相比沒(méi)有明顯差別。因此在大功率以及諧波指標(biāo)要求高的場(chǎng)合應(yīng)慎用LC濾波器。如果有條件，可用腔體濾波器代替LC濾波器。

2.5 鄰信道功率比惡化

這類問(wèn)題主要由濾波器的非線性造成，特別電容開(kāi)關(guān)矩陣類型的跳頻濾波器在大功率條件下更容易出現(xiàn)此類問(wèn)題。這類濾波器以PIN管作為射頻開(kāi)關(guān)，通過(guò)切換不同的電容來(lái)改變諧振頻率。大量文獻(xiàn)指出PIN管在正、反兩種偏置條件下，均呈現(xiàn)出一定的非線性。在射頻功率較大的場(chǎng)合，PIN管開(kāi)關(guān)電路的導(dǎo)通能力會(huì)逐漸壓縮，插損逐漸變大，導(dǎo)致大功率信號(hào)鄰信道指標(biāo)惡化。

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，如果成本和體積允許，應(yīng)盡量選用固定波段切換的濾波器。在體積受限而不得不采用電容開(kāi)關(guān)矩陣形式的跳頻濾波器的場(chǎng)合，則必須對(duì)跳頻濾波器進(jìn)行多方面改進(jìn)，如選用功率容量更大的PIN管，優(yōu)化諧振電路結(jié)構(gòu)，選擇合適的開(kāi)關(guān)拓?fù)浞绞絒14]，調(diào)整反向偏置電壓或正向偏置電流[15]，加強(qiáng)濾波器散熱能力等。在功率特別大的場(chǎng)合，應(yīng)放棄電容開(kāi)關(guān)矩陣形式的跳頻濾波器。

3 結(jié)束語(yǔ)

眾所周知，寬頻段大功率射頻前端是一種形式簡(jiǎn)單但實(shí)現(xiàn)過(guò)程卻較為復(fù)雜的射頻架構(gòu)。本文對(duì)實(shí)際工程中出現(xiàn)的雜散異常、整機(jī)功率平坦度變差、定向耦合器產(chǎn)生額外諧波能量、跳頻濾波器諧波抑制能力下降及鄰信道功率比惡化等問(wèn)題進(jìn)行了分析，并給出了工程上的解決方案。由于目前針對(duì)大功率射頻前端的測(cè)試主要是在輸出口接匹配負(fù)載進(jìn)行的，而實(shí)際上寬帶通信系統(tǒng)所使用的天線均存在駐波比較差的情況。由于工作頻段覆蓋多個(gè)倍頻程，無(wú)法使用隔離器，后續(xù)將研究天線對(duì)發(fā)射前端各模塊的影響及解決措施。

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Problems in Designing Wide Frequency Range High Power RF Front-end

CHEN Bin，LI Shaofeng，NIU Shaowu

(United Communications Corporation，Guangzhou Haige Communications Industry Group Co.,Ltd, Guangzhou 510663,China)

In military wide frequency range communication systems, the frequency-hopping filters are used to improve the anti-EMI features. The RF front-end of such systems will probably produce Abnormal Spur while transmitting RF signals. In high power mode, such RF front-end will result in deterioration of RF power flatness。The harmonic energy will be raised by directional coupler. The harmonic suppression of the frequency-hopping filters will be weeken， and the ACPR of the RF signal will degrade because of frequency hopping filters. In this article, the interaction between the different modules in RF front end while connecting them together, and the characteristic change of the modules in high power mode are analysed to explain the reasons for the problems above. In the end, the corresponding solutions are presented, which have been applied in engineering practice.

wide frequency range;spur;flatness;harmonic;ACPR

2016- 09- 31

陳斌(1981-)，男，碩士，工程師。研究方向：射頻前端。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.09.042

TN911.23

A

1007-7820(2017)09-156-03