數(shù)字電視發(fā)射及中功率放大器的設(shè)計(jì)

　　數(shù)字電視地面廣播技術(shù)采用數(shù)字壓縮技術(shù)，在同樣清晰度和音質(zhì)情況下，用戶可以接收的節(jié)目數(shù)量提高4～6倍。同一信道中，可同時(shí)傳輸附加數(shù)據(jù)和其他信息，且抗干擾能力強(qiáng)，覆蓋區(qū)域內(nèi)近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的接收效果幾乎相同，因此，數(shù)字電視受到了廣泛的關(guān)注。

　　歐美一些國(guó)家對(duì)數(shù)字電視技術(shù)的研究較為深入，已研制出了性能完善的數(shù)字電視信號(hào)發(fā)射機(jī)。我國(guó)數(shù)字電視技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚，還處在實(shí)驗(yàn)階段。為降低成本，數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的國(guó)產(chǎn)化是我國(guó)廣播電視行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

　　功率放大器是數(shù)字電視發(fā)射機(jī)中的重要組成部分。通常情況下，數(shù)字電視發(fā)射機(jī)中的信號(hào)經(jīng)COFDM方式調(diào)制后輸出中頻模擬信號(hào)，通過(guò)上變頻送入放大部分。該調(diào)制方式包括IFFT(8M)和IFFT(2M)兩種模式，分別由6817和1705個(gè)載波組成。每個(gè)載波之間的頻率間隔非常近，所以交調(diào)信號(hào)很容易落在頻帶內(nèi)，引起交調(diào)失真。數(shù)字電視的發(fā)射機(jī)較傳統(tǒng)類型，在線性度、穩(wěn)定性等方面有著更高的要求。對(duì)發(fā)射機(jī)中的功率放大器要求必須工作在較高的線性狀態(tài)下，增益穩(wěn)定。

　　發(fā)射系統(tǒng)的放大部分分為激勵(lì)和主放大電路。其中激勵(lì)部分為寬帶功率放大器，為確保地面數(shù)字電視傳輸?shù)恼７€(wěn)定，需要具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，其工作頻段在470MHz～860MHz，工作狀態(tài)為AB類;要求增益大于10dB，交調(diào)抑制小于-35dB，噪聲功率密度大于130dBc/Hz。本文采用最新的LDMOS FET器件，及平衡放大電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)字電視發(fā)射機(jī)中的驅(qū)動(dòng)級(jí)功率放大器，經(jīng)過(guò)優(yōu)化和調(diào)試，滿足系統(tǒng)要求。

　　1 功率放大器設(shè)計(jì)

　　1.1功率放大器的放大芯片選型

　　本文采用摩托羅拉LDMOS FET器件MRF373作為功放的放大芯片。該芯片在線性、增益和輸出能力上相對(duì)于BJT器件有較大的提升，使發(fā)射機(jī)的可靠性和可維護(hù)性大大提高。與傳統(tǒng)的分米波雙極型功放管相比，LDMOS FET具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

　　可以在高駐波比(VSWR=10：1)情況下工作;

　　增益高(典型值13dB);

　　飽和曲線平滑，有利于模擬和數(shù)字電視射頻信號(hào)放大;

　　可以承受大的過(guò)驅(qū)動(dòng)功率，特別適用于DVB-T中COFDM調(diào)制的多載波信號(hào);

　　偏置電路簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的帶正溫度補(bǔ)償?shù)挠性吹妥杩蛊秒娐贰?/p>

　　LDMOS制造工藝結(jié)合了BPT和砷化鎵工藝。與標(biāo)準(zhǔn)MOS工藝不同的是，在器件封裝上，LDMOS沒有采用BeO氧化鈹隔離層，而是直接硬接在襯底上，導(dǎo)熱性能得到改善，提高了器件的耐高溫性，大大延長(zhǎng)了器件壽命。由于LDMOS管的負(fù)溫效應(yīng)，其漏電流在受熱時(shí)自動(dòng)均流，而不會(huì)象雙極型管的正溫度效應(yīng)在收集極電流局部形成熱點(diǎn)，從而管子不易損壞。所以LDMOS管大大加強(qiáng)了負(fù)載失配和過(guò)激勵(lì)的承受能力。同樣由于LDMOS管的自動(dòng)均流作用，其輸入-輸出特性曲線在1dB壓縮點(diǎn)(大信號(hào)運(yùn)用的飽和區(qū)段)下彎較緩，所以動(dòng)態(tài)范圍變寬，有利于模擬和數(shù)字電視射頻信號(hào)放大。LDMOS在小信號(hào)放大時(shí)近似線性，幾乎沒有交調(diào)失真，很大程度簡(jiǎn)化了校正電路。MOS器件的直流柵極電流幾乎為零，偏置電路簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的帶正溫度補(bǔ)償?shù)挠性吹妥杩蛊秒娐贰?/p>

　　1.2 電路結(jié)構(gòu)選擇及比較

　　小信號(hào)S參數(shù)可以用于甲類放大器的設(shè)計(jì)，也就是要求信號(hào)的放大基本限制在晶體管的線性區(qū)域。然而，涉及到大功率放大器時(shí)，由于放大器工作在非線性區(qū)，所以小信號(hào)通常近似無(wú)效。此時(shí)必須求得晶體管的大信號(hào)S參數(shù)或阻抗，以得到合理的設(shè)計(jì)效果。

　　一般說(shuō)來(lái)，甲類工作狀態(tài)失真系數(shù)最小，具有良好的線性度。但是在大功率應(yīng)用情況下，由于甲類工作狀態(tài)的效率低(50%)而不適用。采用甲乙類推挽放大器的電路形式，可以得到與甲類放大器相近的線性指標(biāo)。

　　推挽電路形式由兩個(gè)獨(dú)立且無(wú)任何內(nèi)部連接的單管放大器構(gòu)成，通過(guò)兩個(gè)巴倫進(jìn)行功率的矢量分配與合成。由于巴倫本身具有變阻的特點(diǎn)，因此大大降低了變阻比帶來(lái)的阻抗匹配的困難，且巴倫對(duì)于偶次諧波具有很好的抑制作用。但是由于巴倫兩邊間隔過(guò)小，兩路相互影響較大，所以應(yīng)用巴倫結(jié)構(gòu)的放大器穩(wěn)定性較差，且該電路的輸入和輸出駐波比較差。 本文采用平衡放大器的形式，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理與巴倫結(jié)構(gòu)的電路相似，但是由于3dB電橋的應(yīng)用，使得兩路射頻信號(hào)之間隔離較好，有利于兩個(gè)端口的匹配。相對(duì)于單管放大器結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)如表1。

　　1.3 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　由于MRF373沒有提供內(nèi)匹配，所以要在放大電路中構(gòu)建匹配網(wǎng)絡(luò)。數(shù)字電視反射系統(tǒng)中的放大電路工作在470MHz～860MHz，需要在寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。寬帶放大器匹配電路設(shè)計(jì)的基本思想是：在放大器的輸入輸出及級(jí)間都采用電抗匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多級(jí)阻抗變換。該網(wǎng)絡(luò)只起匹配作用，不額外損耗功率，可以保證最大的傳輸系數(shù)，對(duì)器件特性起均衡作用，并可以滿足系統(tǒng)所

　　需要的帶寬要求。 使用器件的IV曲線或者通過(guò)輸出功率、工作電壓等參數(shù)可以確定負(fù)載RL。為使輸出功率最大，用RL表示器件的內(nèi)部漏極負(fù)載，以此作為輸出匹配電路的目標(biāo)。如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)一個(gè)復(fù)阻抗有最佳匹配，則網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗等于負(fù)載阻抗的復(fù)數(shù)共軛值?，F(xiàn)在的負(fù)載阻抗是純實(shí)數(shù)RL，所以最佳輸出匹配電路反映到器件漏極負(fù)載的阻抗是RL的復(fù)數(shù)共軛值，即： RL=(VDD-VDS(SAT))2/2P

　　其中VDD是工作電壓，VDS(SAT)是拐點(diǎn)電壓，P是輸出功率。

　　根據(jù)上式可以算出，MRF373的RL大約為6Ω。

　　本文中的放大電路采用分離元件和分布參數(shù)元件混合使用的方法。由于電感比電容有更高的熱損耗，所以在此類電路中通常避免使用電感，而使用高阻抗的傳輸線代替。混合類型的匹配網(wǎng)絡(luò)通常包括幾段串連的傳輸線以及間隔配置的并聯(lián)電容。該放大器的輸入匹配部分采用了四節(jié)連阻抗變換，輸出匹配采用五節(jié)連阻抗變換的混合電路形式。輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2、圖3所示。

　　2 電路優(yōu)化與仿真結(jié)果

　　由于數(shù)字電視發(fā)射系統(tǒng)要求放大電路必須工作在線性放大狀態(tài)，可以用小信號(hào)S參數(shù)法分析。借助器件廠商提供的小信號(hào)S參數(shù)文件，可以用ADS對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行小信號(hào)S參數(shù)仿真，得到小信號(hào)增益、端口匹配、隔離及穩(wěn)定因子K。表2為MRF373在(Vce=26V、Ic=500mA)下的S參數(shù)。

　　用ADS進(jìn)行電路仿真并不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電路優(yōu)化。當(dāng)只有小信號(hào)S參數(shù)作為模型來(lái)設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)，電路優(yōu)化的步驟一般為：首先盡可能以RL(相對(duì)最大輸出功率的負(fù)載電阻)匹配為目標(biāo)，優(yōu)化和確定輸出匹配電路元件值;然后再優(yōu)化輸入匹配電路的元件值，改善增益和輸入匹配電路。需要注意的是：在優(yōu)化前，必須得到盡可能完整的輸出電路模型，然后在工作頻率下對(duì)其優(yōu)化，達(dá)到與RL的最佳匹配。圖4為放大電路的仿真結(jié)果，圖5為電路最終優(yōu)化結(jié)果。

　　3 測(cè)試結(jié)果

　　經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和反復(fù)調(diào)試，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6所示。該驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器工作于線性狀態(tài)。由圖6增益曲線圖可知，整個(gè)頻帶內(nèi)增益平坦，為12dB左右，與仿真結(jié)果大致一樣。回波損耗小于15dB，帶內(nèi)駐波比小于1.3。輸入功率2瓦時(shí)，用功率計(jì)測(cè)得輸出功率25W，信號(hào)幅度穩(wěn)定，其交調(diào)抑制小于-35dB。各項(xiàng)指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求，與國(guó)外同類數(shù)字電視發(fā)射機(jī)中放大器的指標(biāo)接近，成本大大降低，為今后數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的國(guó)產(chǎn)化研制奠定了基礎(chǔ)。