一种短波高效功放设计

摘 要：该文介绍一种短波高效功放的设计方法，首先介绍该设计的应用背景，然后根据实际使用需求给出总体设计方案，随后详细介绍功放动态高效能技术的具体实现方法，最后通过实际测试，验证该设计的有效性和实用性。

关键词：短波;功率放大器;效率;包络;静态工作点

中图分类号： TN837 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）30-0108-04

Abstract： This paper introduces a design method for a shortwave high-efficiency power amplifier. First， it introduces the application background of the design， and then gives the overall design plan according to actual use needs. Then， it introduces in detail the specific implementation method of the dynamic high-efficiency technology of the power amplifier. Finally， it verifies the effectiveness and practicality of the design through practical tests.

Keywords： shortwave; power amplifier; efficiency; envelope; static operating point

短波发射机承担着短波通信的信号发射重任，是短波通信系统的重要组成部分[1-2]。由于使用条件所限，大功率短波发射机一般需要长期部署于无人值守的发信台，具备频繁换频和长时间在线工作的功能，为系统提供高可靠的短波发信资源。本文就是在此背景下，以400 W短波发射机为例，介绍一种实现短波高效功放的设计方法，使其具备长期可靠工作的功能，满足系统常态化保障需求，降低维护保障需求，并在实际测试中得到了良好的验证。

1 总体设计方案

短波高效功放的主要设计指标：由传统的整机效率典型值30%提升到不小于40%。对于400 W短波发射机来说，功率放大器是功耗最大的模块，其工作效率决定了整机的工作效率，同时影响整机的电源消耗和热散耗。功放管的工作电流和工作温度影响其可靠性水平，功率放大器工作效率提升直接带动了整机可靠性提升。因此，发射机采用功放动态高效能技术提高整机可靠性。

功放动态高效能技术是指通过识别发射机不同工作模式、基带信号特性和输出功率等级，然后动态调节功率放大器的静态和动态的工作点[3]，在保证发射指标要求的同时，又能使其工作效率也处在一个较高水平的一种技术。系统采用功放动态高效能技术后，功率放大器及其核心的功放管处于一个较为稳定的理想负荷状态，功率放大器的整体可靠性也因优化了工作点和工作负荷从而得到提升，信号质量和工作效率达到一个较为完美的平衡。功放动态高效能技术包括动态包络跟踪技术和静态工作点适应性调节两项技术。

功放模块以功率放大器[4]为核心，其外围电路主要包括状态检测电路、保护电路和控制电路几部分。其中状态检测电路包括输入输出功率、输入电压电流和温度检测;保护电路有输入功率限制、电源供电切断和功放使能切断措施;控制接受激励模块的状态控制信号和检测电路的信号，通过硬件的判定，进行功放状态设置、硬件保护和状态上报工作。总体设计方案如图1所示。

2 技术实现

2.1 动态包络跟踪技术

当线性功放[5-6]工作在甲乙类推挽状态时，有

， （1）

式中：Vop为输出电压峰值，其输出功率为

电源功耗为

可得效率

由式（3）可知，当输出功率Po一定时，输出的峰值电压Vop也就确定了。由式（4）可知，电源功耗在Vop一定的情况下只和供电电压Vcc有关系，Vcc越大，Pv就越大，Vcc越小，Pv就越小，功率放大器的效率也就越高，如图2所示。

由式（5）可知，功率放大器的效率和功放的输出电压峰值及功率放大器的供电电压有关，当Vop一定时，功率放大器的效率随着供电电压Vcc的增大而减小，当Vcc满足Vop驱动需求时，Vcc越小则功率放大器的效率就越高。

当功率放大器进行非连续波的放大时，其波形峰值随机变化，如图3所示。

图3上半部分为传统功率放大器的供电电源（功放管漏电压）和热散耗情况，下半部分为加入包络跟踪技术后的功率放大器的电源供电和热散耗情况。由此可见，当功放管的漏极电压跟随信号包络波形趋势进行实时调节，并满足功率放大驱动需求时，可以大大降低功率放大器的热散耗功率，从而提高功率放大器的效率。

由于需保证功率放大器的非线性，功率放大器一般工作于一定的功率回退状态。表1为在通过公式计算的推挽放大器理论最大效率和在有无包络跟踪技术的功率回退3 dB时的效率以及在输出峰包功率400 W时的功耗值。

在本文的设计中，控制电路根据发射机不同工作模式、基带信号特性和输出功率等级设定供电电压的动态调整范围即电压最大值和电压最小值。数字化激励器输出的基带包络信号通过硬件电路对峰值范围调整，由于基带包络已经过自动增益控制，所以只需基带包络的峰值平移到电压最大值上即可。经过峰值范围调整的控制包络信号再与设定的电压最小值进行混合处理，将控制包络信号小于电压最小值的部分使用电压最小值代替，即得到控制电源电压输出的线性控制信号。该部分过程如图4所示。

2.2 静态工作点适应性调节技术

对于功率放大器来说，每个输出功率状态在针对某个指标时都有一个最优的静态工作状态，这就是功放管的静态工作点。当功率放大器的工作在边带包络工作模式时，输出的功率就会随时间的变化而变化。如果能够针对功率放大器的实时输出功率状态同步调节功放管的实时静态工作点，那么将能保证功放管一直工作在这个效率最优的状态。功放管输出特性曲线如图5所示。

由图5可见，栅源电压UGS越大，漏极电流ID就越大，预夹断所需电压UDS也越大，当功放管工作在放大区时，选择越大的UGS，漏极电流ID就越大，功放管的耗散功率就越大。当功率放大器输出功率一定时，选择不同的静态驱动电流，功率放大器的输出效率也就不同，因此需要根据功放管的直流特性选择一组随着功率放大器功率变化而变化的静态工作点，从而保证效率最高。

如图6所示，假设功率放大器的静态工作点在Q点，功率耗散为PC，当电压为Uom1时，输出功率为

效率则为

当电压为Uom2时，输出功率为

效率则为

由式（6）和式（7）可以知道，当输出功率Po1比Po2大时，效率η1比η2小。这说明当输出功率改变时，如果静态工作点不改变，那么功率放大器的效率也是跟着变化的。因此静态工作点适应性调节就是在功率放大器输出功率改变时，同步改变功放管的静态工作点，减少功率放大器的耗散功率PC，以此来保持较高的效率。

设定功率放大器的最大供电电压为Umax，理论上电源包络的理想最小值Umin应为0 V。实际上由于Umax与Umin的比值越大，电源所能实现的整体效率越低，而且由于电源输出内阻的存在，导致无法在小输出电压下提供稳定的大电流。同时，功放管寄生特性会随供电电压的下降幅度急剧恶化，如图7所示，其中Ciss为输入电容，Coss为输出电容，Crss为反向传输电容。综合上述条件，将Umin设置为1/2Umax可以达到较为理想效果。

在以上设计中，需对电源调整摆率和响应时间做出相应的要求。电压摆率可由下式算得

SR=2πUp f， （8）

式中：UP为电压摆动峰值，即功率放大器的最大供电电压减去最小供电电压，当前设计值为25 V;f为工作频率，当f以MHz为单位时，电压摆率SR的单位为V/μs。按音频包络带宽3 kHz计算得出SR=2π×25×0.003≈0.48 V/μs。

电源对包络变化的响应延时会造成射频信号包络与电源包络的相位不一致，即射频包络上升沿供电不足，而下降沿供电过剩。按包络周期330 μs（3 kHz）计算，电源延时产生的相位差应做到5°左右较理想，则响应时间应小于4.5 μs。

3 结论

选取具有代表性的频点对使用动态高效能技术的400 W短波发射机开展了测试验证工作，具体结果见表2。

由表2可知，功放高效能技术的应用使400 W短波发射机整机效率由原先30%的典型值提高到40%左右，平均提升约8%～10%，且在全部工作频段内具有较小的波动，实用效果达到预期，可用于新一代低功耗、高可靠短波发射机研制。

参考文献：

[1] 任国春.短波通信原理与技术[M].北京：机械工业出版社，2020：3-26.

[2] 胡中豫.现代短波通信[M].北京：国防工业出版社，2003.

[3] 康华光，陈大钦.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1999：67-72.

[4] 陈邦媛.射频通信电路[M].北京：科学出版社，2005：355-380.

[5] 李孝生.短波功率放大器线性化技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2014.

[6] 王建兵.功率放大器的线性化实现技术[D].南京：东南大学，2006.

作者简介：李宗强（1982-），男，硕士，高级工程师。研究方向为无线通信。