100W功放设计方案

100W功放设计方案功放设计指标：1、频率范围：68MHz-2400MHz(分7段),即68MHz~120MHz120MHz~200MHz200MHz~350MHz350MHz~600MHz600MHz~1000MHz1000MHz~1800MHz1800MHz~2400MHz2、增益：40dB3、功率：50dBm4、带内平坦度：+/-3dB5、谐波抑制：>=50dB二、监控功能：1、前向功率检测2、功放故障告警3、功放开关三、方案设计：本功放为100W大功率宽带功放，为宽带匹配，采用传输线变压器作输入输出匹配，功放管采用推挽结构。线性要求为谐波抑制，对三阶互调要求不高，为简化设计，可在功放输出接一低通滤波器，滤除谐波分量，末级功放可以饱和功率输出，推动级为防止非线性叠加，采用功率回退。现以600MHz—1000MHz功放为例说明。功放管选择：采用Polyfet公司的SK202、LK802和LB401。功放模块框图如下：100W功放由四级放大器级联组成，各级指标如下：放大级管子输出幅度（dBm）增益（dB）形式第一级AH1011413单管第二级SK2022713推挽第三级LK8024012推挽第四级LB4015010推挽四、器件介绍：1、AH101：应用电路：2、SK202：3、LK802：4、LB401：五、匹配设计：以LB401为例，其输入输出阻抗为：由图可见，LB401管子在1000MHz时Zin=1.4-j3.6，Zout=2+j6.8。因管子在600MHz—1000MHz宽带工作，考虑到低频增益大，高频增益小，阻抗匹配在高频，低频造成一定的失配，使整个频带内增益波动比较小。故采用1000MHz时的阻抗值为匹配阻抗，为最大功率传输，采用共轭匹配。为宽带匹配，匹配电路采用传输线变压器，传输线变压器形式为1:1的不平衡-平衡变换和4:1的平衡-平衡变换。首先把管子的阻抗通过微带混合电路匹配到12.5欧姆，微带混合电路中电感一般采用一段高阻微带线来实现，电容采用集总参数的微调电容，这样可以进行适当调整。然后通过4:1的平衡-平衡传输线变压器，把12.5欧姆转换到50欧姆，再通过一个1:1的传输线变压器进行平衡到不平衡变换。如图：在大信号模型下，功放的输入输出阻抗和工作点有密切关系，静态工作点不同，输入输出阻抗就有差异，本级的静态工作点为Vdd=28V，Idq=600mA。传输线变压器采用半刚性同轴电缆，因本频段低端为600MHz，不采用磁环。还采用负反馈方法来改善功放性能。六、其他电路设计：1、馈电电路：漏极馈电：采用并馈方式，即电源、功放管和负载是并联在一起的。对并馈电路，隔直电容的容抗和高频扼流圈的感抗可按下列经验公式计算：Xc=[1/(5~20)]*R0Xl=(5~20)*R0R0为输出回路有载等效阻抗原则上，高频扼流圈的电感量选大点好，但电感量太大可能导致线圈的圈数过多，加大了线圈的分布电容，破坏扼流圈的“扼流”作用，同时电感量过大，对低频压降也大，容易产生低频寄生振荡，所以要综合考虑选择电感量。为了滤除电源中的干扰频率，也防止寄生振荡，通常把频率特性不同的（高频，中频，低频）几种电容并联起来作为滤波使用。栅极馈电：LB401为增强型管子，当栅极电压超过门限电压时，管子才导通，栅极电压确定管子的静态工作点。使用稳压管来给栅极提供稳定的电压，为防止温度变化，管子的静态工作点发生漂移，使管子的线性，功率，效率等指标变差，使用二极管进行温度补偿。2、功放故障检测：功放故障检测重点是对功放的栅压进行检测，当管子损坏时，栅压会变低，通过和一个基准电压比较而得出管子是否已损坏。3、功放开关电路：如图，利用三极管的饱和截止来对栅极电压进行开关，达到对功放管的开启和关断作用。4、功率检测：采用AD8314进行功率检测，其特性为：前向功率检测电压经过放大和比较，控制前端的衰减器，来对输出功率进行自动电平控制，使输入功率突然增大，输出功率也能保持不变。衰减器为MA4P274，内部由四只PIN二极管组成的，如图：为防止负载开路，功率全反射，把管子烧毁，对反向功率进行检测，同样采用AD8314进行检测，检测电压经过放大和一基准电压比较，若大于基准电压，就通过功放开关来关闭功放，起到保护作用。七、总结：本功放设计前期花了一些时间进行对管子的选型，因频率达到1G而且功率达到100W的宽带管子比较少，开始选了GaN材料的管子，此材料的管子在高频，功率和宽带方面有非常好的性能，可考虑到成本和采购的难度方面，还是选择性价比比较高的LDMOS材料的管子。因刚进公司，对公司一些资源还不甚了解，如一些功放管型号，那些功放管已成熟利用，库存有现货和采购周期等。在利用公司资源方面还存在不足。对管子的选型都是通过网络查询，在几个厂家MA-COM，NXP，Polyfet，Semelab，Nitronex，Infineon，TriQuint中选择，对管子的性能进行比较。为尽量减少管子的类型，最后选择Polyfet公司的管子，选择同一型号，通过不同的匹配电路来完成不同频段的设计。因和采购人员与功放