UHF大功率功放模块设计的新方法

刘继林

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)

UHF大功率功放模块设计的新方法

刘继林

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)

针对OFDM信号对功放高峰值功率的要求,提出了工作在220～400 MHz的大功率功放模块设计的新方法。该方法结合ADS软件仿真分析,按仿真模型用QFX86射频同轴电缆自制了功率分配/合成网络,用该网络设计了一款输出峰值功率不小于300 W的功放模块。该模块已成功应用于某电台中且工作良好。

OFDM;大功率功放;功率分配/合成网络;温度补偿电路;ADS仿真

1 引 言

在无线通信系统中,功放模块是必不可少的一个重要组成部分。随着OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)[1-2]技术的快速发展,功放模块的发展也面临着巨大挑战。因为,OFDM调制信号存在很高的峰均比,在某个时刻,多个子载波以同一个方向相加,就会产生很大的峰值,从而要求功放模块内的功率放大器具有很大的线性动态区域。否则,当信号峰值进入放大器的饱和区域时,就会使接收信号产生严重畸变,产生子载波之间的互调干扰和带外辐射,破坏子载波之间的正交性,恶化系统性能。实验证明,满足系统通信要求误码率条件下的峰均比为5～6 dB,按60 W载波设计,功放模块的线性动态功率至少为240 W。在现有工艺水平下,国外元器件生产商(Polyfet公司、M/A-COM 公司等)生产的UHF频段的功率管功率输出等级为150 W左右,所以,功放模块必须采用功率合成才能满足大于240 W的功率要求。本文介绍的方案分别以金属栅RF硅FET作为驱动级和末级放大,采用功率分配/合成网络和传输线变压器阻抗变换网络相结合的方法,结合ADS对合成网络仿真,研制出了用于220～400MHz连续波输出功率大于300 W的高功率功放模块。

2 设计方案

本方案功放模块的原理框图见图1。由于篇幅所限,本文只详细介绍功率放大部分的设计和ADS仿真,对功放的其他电路(如滤波器、耦合器、控制保护电路等)就不作介绍了。

图1 功放模块原理框图Fig.1 Functional block diagram of PA module

该功放工作的状态为连续波,功率放大部分的主要技术指标如下:频率范围为220～400MHz,激励电平为33 dBm(驱动级的输入电平),输出功率大于等于300W(54.8 dBm)。

功率放大部分设计的关键在于静态工作点温度补偿电路和功率分配/合成网络,而功率分配/合成网络又是整个功放模块的核心。本文主要从这两个方面加以介绍和分析。

按技术指标要求,功率放大部分的信道增益约22 dB,可分两级放大完成,分配/合成网络用同轴电缆绕制,增益分配:驱动级13 dB,末级10 dB,分配/合成网络的损耗约为0.5 dB。

2.1 驱动级

驱动级选用美国Polyfet公司的大功率VDMOS管SQ701,SQ701最大栅极电压20 V,漏极击穿电压70 V,最大漏极电流6.5 A,在 200～400 MHz功率增益不小于13 dB,输入功率33 dBm,输出功率可达40 W以上。电路采用平衡/不平衡变换网络和4∶1的阻抗变换网络的匹配方式,IDQ设置为1 A。

2.2 分配/合成网络

分配/合成网络采用的是用同轴电缆绕制的宽带同相分配/合成网络,每根同轴线的长度相等,都小于λ/4。

2.3 末级

末级选用美国M/A-COM公司的N沟道增强型大功率MOSFET管UF28150J,最大栅极电压20 V,漏极击穿电压60 V,最大漏极电流28 A,在220～400MHz功率增益不小于10 dB,输入功率43 dBm,输出功率可达150 W以上。电路采用平衡/不平衡变换网络和4∶1的阻抗变换网络的匹配方式,IDQ设置为1 A。

3 温度补偿电路分析

驱动级和末级选用的功率放大管均为FET管,FET器件对工作温度是很敏感的,其特性有强烈的温度依赖性[3-5]。工作在AB类,在工作点附近具有正的温度特性,IDQ变化会影响系统的增益、效率和线性等指标,其中又以线性影响最大。因此,在工作中维持功率管(特别是大功率管)IDQ恒定是功放设计的关键点之一。设计方案中驱动级和末级的直流偏置电路包含温度补偿电路,它利用BJT管发射结正向压降Vbe具有负的温度系数工作原理,在饱和工作状态,对于硅管dVbe/dT=-2.0 mV/℃。利用发射结的这个特性可实现温度补偿,电路如图2所示。

图2 温度补尝电路Fig.2 Temperature compensation circuit

当IR4>>IB时(计算时可以取10倍关系),对于该电路有

当温度变化1℃时,Vd的变化量为

约等于LDMOS管的温度变化系数,试验验证R4=1.5 kΨ、R5=2.2 kΨ时可以得到比较稳定的静态工作电流。

4 ADS仿真分析

4.1 仿真模型

在仿真过程中,先后设计了几种不同形式的分配/合成网络模型,有同相的和反相的。以本方案采用的同相分配/合成网络性能最佳,仿真模型见图3。由于篇幅有限,此处对这种网络不作理论分析,仅给出仿真模型供参考。

图3 同相分配/合成网络仿真模型Fig.3 Same-phase distribution/synthesis network simulation model

4.2 ADS仿真分析

按照仿真模型,对网络中的变量TL1、TL2、TL3和TL4进行了优化仿真分析,参数设置:Start=200 MHz,Stop=520MHz,Step=1MHz,Tem2=Tem3=25 Ψ,Tem1=50 Ψ;R1=50 Ψ。

变量优化结果:TL1=TL2=TL3=TL4=85 mm(特性阻抗50 Ψ),S参数仿真结果见图4～6。

图4 传输特性Fig.4 Transmission characteristics

图5 反射特性Fig.5 Reflection Characteristics

图6 隔离特性Fig.6 Isolation characteristics

仿真结果表明,该种网络具有插入损耗小、反射小和隔离度高等优点。按该模型制作的同相分配/合成网络,实际性能接近仿真结果。

5 设计结果

按ADS仿真模型,用QFX86射频同轴电缆自制了分配/合成网络;用美国 M/A-COM公司的UF28150J在聚四氟乙烯板材(板厚1.6 mm)上完成功率合成,设计了符合要求的功率放大模块,在-55℃～+70℃的温度范围内能稳定工作。测试条件:驱动级激励电平33 dBm,供电电源+28 V,室温25℃。饱和功率测试结果见表 1。由表 1可知,在 220～400MHz的频率范围内,功率合成部分的最小输出功率为325W(55.1 dBm),满足大于300 W(54.8 dBm)的预期指标要求。

表1 输出功率测试结果Table 1 Result of output power test

6 结束语

通过对合成网络的模型设计和ADS仿真分析,自制了功率合成的关键部件功率分配/合成网络,用该网络成功研制出一款大功率功放模块,弥补了大功率功放模块设计的空白。用该网络设计的功放模块具有频带宽、功率高、性能稳定、温度适应范围宽等特点,能够满足电台在OFDM通信体制下60 W载波功率的使用需求。

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LIU Ji-lin was born in Huaibei,Anhui Province,in 1977.He received the B.S.degree from Lanzhou University in 2001.He is now an engineer.His research concerns the development and design of U/V power amplifier of radio.

Email:liujl@swiet.com.cn

A Novel Design Method for UHF High Power Amplifier Module

LIU Ji-lin
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

According to the requirement of high peak power of Power Amplifier(PA)for OFDM signal,a novel design method for high power amplifier operating at 220～400 MHz is proposed.Based on the simulation analysis by ADS software,QFX86 Radio Frequency(RF)coaxial cable is used to build up a power distribution/synthesis network and this network is employed to develop a PA module with peak power no less than 300 W.This module has been successfully applied in a radio set and it perferms well.

OFDM;high power amplifier;power distribution/synthesis network;temperature compensation circuit;ADS simulation

TN722

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.032

1001-893X(2012)06-0988-04

2011-11-23;

2012-03-07

刘继林(1977—),男,安徽淮北人,2001年于兰州大学获理学学士学位,现为工程师,主要从事通信电台U/V功放研究和设计工作。