射頻功率放大器的寬帶匹配設(shè)計(jì)

在很多遠(yuǎn)程通信、雷達(dá)或測(cè)試系統(tǒng)中，要求發(fā)射機(jī)功放工作在非常寬的頻率范圍。例如，工作于多個(gè)倍頻程甚至于幾十個(gè)倍頻程。這就需要對(duì)射頻功放進(jìn)行寬帶匹配設(shè) 計(jì)，寬帶功放具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)，它不需要調(diào)諧諧振電路，可實(shí)現(xiàn)快速頻率捷變或發(fā)射寬的多模信號(hào)頻譜。寬帶匹配是寬帶阻抗匹配的簡(jiǎn)稱，是寬帶射頻功放以及 最大功率傳輸系統(tǒng)的主要電路，寬帶匹配的作用是，使射頻功率放大管的輸入、輸出達(dá)到最佳的阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)寬帶內(nèi)的最大功率放大傳輸。因此，寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是寬帶射頻功放設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。同軸電纜阻抗變換器簡(jiǎn)稱同軸變換器，能實(shí)現(xiàn)有效的寬帶匹配，可以為射頻功率放大管提供寬頻帶工作的條件。同軸變換器具有功率容量大、頻帶寬和屏蔽性能好的特性，可廣泛應(yīng)用于HF/VHF/UHF波段。

1 方案設(shè)計(jì)

同軸變換器及其組合是一種具有高阻抗變換比的寬帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，它能將射頻功率放大管的較低的輸入阻抗或輸出阻抗有效匹配到系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)阻抗50 Ω。同軸變換器設(shè)計(jì)方案多選用1：1變比形式、1：4變比形式及其組合形式。

1．1 同軸變換器原理

同軸變換器是由套上鐵氧體磁芯的一段同軸電纜或同軸電纜繞在鐵氧體磁芯上構(gòu)成，一般稱為“巴倫”?！鞍蛡悺钡慕Y(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，其等效電路如圖1（b）所示。

圖1 “巴倫”的結(jié)構(gòu)和等效電路

同軸變換器處于集中參數(shù)與分布參數(shù)之問。因此，在低頻端，它的等效電路可用傳統(tǒng)的低頻變壓器特性描述，而在較高頻率時(shí)，它是特性阻 抗為Zo的傳輸線。同軸變換器的優(yōu)點(diǎn)在于寄生的匝間電容決定了它的特性阻抗，而在傳統(tǒng)的離散的繞匝變壓器中，寄生電容對(duì)頻率性能的貢獻(xiàn)是負(fù)面作用。

當(dāng)Rs=RL= Zo時(shí)， “巴倫”可以認(rèn)為是1：1的阻抗變換器。同軸變換器在設(shè)計(jì)使用上有兩點(diǎn)必須注意：源阻抗、負(fù)載阻抗和傳輸線阻抗的匹配關(guān)系；輸入端和輸出端應(yīng)在規(guī)定的連接 及接地方式下應(yīng)用。在大多數(shù)情況下，電纜長(zhǎng)度不能超過最小波長(zhǎng)的八分之一。為了保證低頻響應(yīng)良好，還必須有一定繞組長(zhǎng)度，可以依據(jù)下列經(jīng)驗(yàn)公式來估算在頻 率高端和頻率低端時(shí)所需繞組的長(zhǎng)度。

在高頻端：

lmax≤ 18 O00n／fh（cm）。 （1）

式中，fh為最高工作頻率（MHz）；n為常數(shù)，一般取為0．08左右。

在低頻端：

lmin≥ 50Rl / ［ （1 + u/uo ） × fl ］。 （2）式中，fl為最低工作頻率（MHz）；u/uo為磁芯在時(shí)的相對(duì)磁導(dǎo)率。

磁芯的影響可以用等效電感來反應(yīng)，等效電感決定了頻段低段反射量的大小，計(jì)算為：

L=uo ur n2 （S/J） （3）式中，L為電感值（H）；ur為相對(duì)磁導(dǎo)率；uo=4πx 10-7；S為磁環(huán)的面積；J為平均電長(zhǎng)度；n為線圈圈數(shù)。

為避免頻段高段指標(biāo)惡化，電感值不能大于實(shí)際需要值，其經(jīng)驗(yàn)公式為：

L = 4（ R/Wmin） （4）

式中，R 為中間頻帶的輸入阻抗；Wmin為最小角頻率。

1．2 1：4同軸變換器設(shè)計(jì)

1：4同軸變換器由長(zhǎng)度相等的2根同軸電纜組成，其結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。1：4同軸變換器水平旋轉(zhuǎn)180°即可作為4：1同軸變換器。

理想的1：4同軸變換器的輸入、輸出阻抗都匹配，每根同軸電纜的輸入、輸出阻抗等于其特征阻抗Zo，其等效電路模型如2（b）所示其源阻抗Zg與負(fù)載阻抗ZL的變換比為：Zg / ZL = Zin / Zout = （Zo /2） / （Zo + Zo） （5）

圖2和式（5）表明，1：4同軸變換器的阻抗變換比等于輸入阻抗與輸出阻抗之比。同軸變換器的輸入阻抗等于同軸電纜特征阻抗的并聯(lián)，輸出阻抗等于同軸電纜特征阻抗的串聯(lián) 。

圖2 1：4同軸變換器的結(jié)構(gòu)和等效電路

1．3 集中參數(shù)元件匹配設(shè)計(jì)

由 于阻抗變換器傳輸電纜的特征阻抗是實(shí)數(shù)，而射頻功率放大管的輸入阻抗與輸出阻抗一般都是復(fù)數(shù)阻抗。因此，需要將射頻放大管的輸入阻抗與輸出阻抗實(shí)數(shù)化，實(shí) 現(xiàn)對(duì)源阻抗或負(fù)載阻抗的共軛匹配，從而實(shí)現(xiàn)功率的最大傳輸 。復(fù)數(shù)阻抗可以用電阻與電抗串聯(lián)表示，也可以用電阻與電抗并聯(lián)表示。用集中參數(shù)元件實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的方法是，電阻并聯(lián)電抗減小其實(shí)部，再串聯(lián)電抗抵消其虛 部，達(dá)到2個(gè)純電阻的匹配；當(dāng)匹配的不是純電阻時(shí)，可以采用集中參數(shù)的電容或電感來抵消和吸納復(fù)數(shù)阻抗虛部的方法來實(shí)現(xiàn)復(fù)數(shù)阻抗的實(shí)數(shù)化 。

2 需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

2．1 低頻增益壓制

射 頻功率放大管的增益隨頻率的增高而下降，一般情況下，每增加一個(gè)倍頻程，增益下降約3 dB。在窄帶電路中，增益隨頻率的增高而下降的情況可以忽略不計(jì)，但在多倍頻程電路中，必須考慮對(duì)低頻增益的壓制。解決的方法是使用電阻負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，電阻 負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)用于壓制平滑放大器在低頻上高增益特性，電阻值越小壓制平滑作用越大。以高頻段增益為基準(zhǔn)增益，使用100～200 n 電阻，將低頻段的增益降低到大于基準(zhǔn)增益2～3 dB。

2．2 同軸電纜特性阻抗選擇

同軸“巴倫”完成平衡至不平衡的轉(zhuǎn)換，一般選用50 n特性阻抗。1：4同軸變換器電纜需要考慮源或負(fù)載電阻的大小，計(jì)算公式如下：

Zo = （4R）2 / 25（Ω）。 （3）

式中，Zo為電纜特性阻抗；R為源或負(fù)載電阻。

2．3 磁芯的散熱及功率校驗(yàn)

輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中，同軸變換器在傳輸高功率時(shí)，由于電路損耗，磁芯會(huì)累積較多的熱量，進(jìn)而會(huì)引起磁芯溫度的急劇升高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致磁芯的磁導(dǎo)率下降，影響同軸變換器的低頻響應(yīng)。解決的方法是給磁芯采取良好的散熱措施，用導(dǎo)熱膠將磁芯直接固定在金屬散熱底板上。

磁芯材料的選擇十分重要，要得到高的電感值必須選用高磁導(dǎo)率的磁芯；為了選擇用于同軸變換器的合適的鐵氧體磁芯，需要知道磁芯的飽和磁通量和它的非線性特 性。當(dāng)傳送功率較大時(shí)，必須檢驗(yàn)磁環(huán)的功率容量。這是由于磁環(huán)的磁通量，在功率較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)磁飽和，以致大信號(hào)時(shí)等效電感值下降，功率送不過去。同軸變換 器磁飽和的一般規(guī)律是頻率越低越嚴(yán)重，所以其功率校驗(yàn)要在低頻率上進(jìn)行。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)工程需要，運(yùn)用同軸變換器寬帶匹配技術(shù)設(shè)計(jì)一種多倍頻程高功率放大電路，覆蓋民用和軍 用頻帶，頻率范圍為20～500MHz。功率管選用雙管芯結(jié)構(gòu)的平衡型n溝道增強(qiáng)型射頻放大管BLF574。設(shè)計(jì)用于輸出功率達(dá)350 W，功率增益大于16dB，頻率范圍高HF至UHF的寬帶功率放大器。在225MHz頻率左右器件的輸入和輸出阻抗都呈感性，輸入阻抗Zs=（3.2+j2.5）Ω，輸出阻抗ZL=（7.5+j4.0）Ω。

3．1 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)

BLF574 有一個(gè)相當(dāng)大的輸入電容，為了提供器件輸入端在多倍頻上的寬帶匹配，必須考慮輸人電容在頻率高端的影響，且折中考慮中間頻率及較低頻率上低值輸入阻抗的影 響。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成2級(jí)級(jí)聯(lián)的4：1同軸變換器，完成16：1阻抗變換，將5O Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗匹配接近于3 Ω，這個(gè)值還要通過簡(jiǎn)單的串聯(lián)微帶線和并聯(lián)電容轉(zhuǎn)換成器件的輸入電阻。第1級(jí)4：1同軸變換器電纜選擇UT - 047 -25，特性阻抗Zo=25 Ω，電纜長(zhǎng)度45 mm。補(bǔ)償?shù)皖l響應(yīng)的磁芯選擇2861002402，初始磁導(dǎo)率ui = 125。第二級(jí)4：1同軸變換器電纜選擇UT - 043 -l0，特性阻抗Zo =10 Ω，電纜長(zhǎng)度45 mm，補(bǔ)償?shù)皖l響應(yīng)的磁芯同樣選擇2861002402。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)

3．2 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成1：4同軸變換器級(jí)聯(lián)同軸“巴倫”的形式。1：4同軸變換器電纜選擇UT - l4l- l5，特性阻抗Zo =15 Ω，電纜長(zhǎng)度68 mm。補(bǔ)償?shù)皖l響應(yīng)的磁芯選擇2661540202，初始磁導(dǎo)率ui=125。同軸“巴倫”完成平衡至不平衡輸出的轉(zhuǎn)換，同軸“巴倫”電纜選型UT - 141，特性阻抗Zo =50Ω，電纜長(zhǎng)度68 mm。匹配電阻為：R =（25×15）1/2 / 4=4．8 Ω，這個(gè)值需要通過簡(jiǎn)單的串聯(lián)微帶線和并聯(lián)電容轉(zhuǎn)換成器件的輸出電阻。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

3．3 軟件仿真及測(cè)試驗(yàn)證

3．3．1 軟件仿真

將功率放大管的輸入阻抗和輸出阻抗各自假設(shè)為隨頻率變化的可變阻抗，按照寬帶網(wǎng)絡(luò)阻抗近似匹配法進(jìn)行阻抗匹配，使用軟件工具Ansoft-Serenade 8．7，分別建立以同軸阻抗變換器為模型的輸入和輸出寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，匹配端口均為標(biāo)準(zhǔn)50 Ω特征阻抗，匹配目標(biāo)為輸入或輸出端口電壓駐波比VSWR ≤2：1。利用頻率參數(shù)掃描曲線，經(jīng)調(diào)整優(yōu)化各同軸電纜長(zhǎng)度及特性阻抗、串聯(lián)微帶線的長(zhǎng)度和并聯(lián)電容的值得出寬帶內(nèi)理想的駐波一頻率特性曲線。

3．3．2 測(cè)試驗(yàn)證

對(duì)根據(jù)以上設(shè)計(jì)完成的實(shí)際電路進(jìn)行測(cè)試，在20～500 MHz頻帶內(nèi)，輸入回波損耗≤1．95：1，輸入功率10 W 時(shí)，放大器的最小輸出功率》350 W。測(cè)試結(jié)果表明，放大器的性能狀態(tài)良好，所設(shè)計(jì)的同軸變換器匹配網(wǎng)絡(luò)滿足寬帶匹配及功率要求。

4 結(jié)束語

同 軸電纜阻抗變換器及其組合可以實(shí)現(xiàn)高的阻抗變換比，而且具有承受功率容量大、傳輸頻帶寬和屏蔽性能好的特點(diǎn)，結(jié)合少量集中參數(shù)元件組成匹配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了多 倍頻程功放的寬帶匹配，有望解決一套發(fā)信機(jī)配備多臺(tái)窄帶功放的問題。該寬帶匹配方法可以廣泛使用于HF/VHF/UHF波段，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。