功放VSWR模拟电路理论与实践.docVIP

功率放大器VSWR模拟电路理论与实践 摘 要 功率放大器失配能力验证是工程应用上的难点，本文通过引入Norm Dye、Helge Granberg有关VSWR仿真器设计理论，从工程运用角度圆满的解决了功率放大器失配能力验证这一工程应用上的难题。 关键词：VSWR（电压驻波比）、（反射系数）、RL（反射损耗）、VSWR Simulator（电压驻波比仿真器）、ATN（衰减器） 一、概 述 短波通信中，功率放大器的可靠性设计是制约短波通信系统可靠性设计的瓶颈。功率放大器的可靠性设计要素要有：功放效率、功放热设计、功放保护、功放抗失配能力等，其中，功放的抗失配能力的验证长期以来是工程应用上的难点。本文讲述的方法为之提供了一种合理的解决之路。 二、理论分析 一个发射系统的负载失配能力必须作出预计。正如某些系统抗失配能力为VSWR 3:1或5:1，而有些系统要求有10:1的抗失配能力。由于器件损耗，“无限的失配”难以实现，工业上将30:1的驻波比只定义为“无限的失配”。由于采用对数刻度，30:1（或20:1）与无限大失配没有明显的区别。一个全相角，实部（R）从0～∞的失配负载可以用图一所示的LC网络模拟。 图一 C是可变电容，其电容耐压额定值由射频功率决定。电容的值应在5～6倍范围内可变，才能覆盖所有的相位和阻抗（R）。电容C的初始值要求并不严格，它只能影响电路的Q值和电感值L的取值，30MHz时是300～400pF；100MHz时是40～50pF；200MHz时是10～15pF。电感L一般是线绕电感，尺寸应以能够承受相应的射频功率为准。两个电感的布置应减小相互见得耦合。电感L值计算方法如下： 例如：f＝100MHz，Cmin=7pF，Cmax=40pF，于是 L1=362nH，L2=63nH 这个电路近似于Pi网络结构，被广泛地运用于功放稳定性测试。图示电路中，ATN（衰减器）的作用是为功放输出提供所需的VSWR，它也必须能够承载功放输出所需功率。当然ATN只用吸收馈送给它的部分功率。一个1dB的衰减器，ATN只吸收10%的功率，也就是说设计额定值为100W的ATN，可以用到1kW的系统上。 衰减器衰减值的计算方法如下： 是电压反射功放（Voltage reflection） RL是反射损耗（Return loss） 衰减器的衰减值等于RL的一半，也就是说，要设计一个VSWR为5:1的负载，=4/6=0.67，RL=3 dB，ATN的值应为RL/2＝1.75dB 宽带的运用，电感值L1受最高频率限制，L2受最低频率限制。于是对于多倍频程的功放测试，就需要一组相似的模拟网络，该负载失配模拟网络的优点是通过适当调整该网络，可模拟通信设备验证所需的各种负载（阻抗、相位都可变化）。 三、仿真和实践 对于工作范围2～30MHz的某型125W功率放大器采用MA-COM公司的MFR141G作为功放管，该场效应管的负载失配能力为（VSWR 5:1，全相角，Pout＝300W，IDQ=500mA，VD=28V），输出功率不减小。)电路图见图二。 图二 要在全频段考核功放的失配能力，就要设计多组负载失配模拟网络。频段划分为1.6～3.5，3.5～6.5，……。下面将选择22～30MHz一段讲述模拟网络的工程设计，C值通过计算定作1200p，L1＝0.845MHz，L2=0.14μH。 由上一章我们知道设计这样的负载失配模拟网络需要设计一个1.75dB的衰减器，该衰减器的值应为R1＝R2＝500Ω（≥20W），R3＝10Ω（≥25W）。而工程上这种额定功率值的电阻需要定制，或采用多组电阻串并联法，非常不方便。据查射频电缆手册，射频电缆SFF-50-1-1在30MHz处的插损为0.24dB，通过改变射频电缆的长度，就可以得到不同插损值的ATN。这样ATN的设计问题得以全面的解决。本例中用7.5m长的SFF-50-1-1就可替代电阻Pi型网络构成插损为1.75dB的ATN网络。下图三、图四分别是用电阻和SFF-50-1-1射频电缆设计负载失配模拟网络的电路图。 图三 图四 （用电阻构成的VSWR仿真器） （用射频电缆构成的VSWR仿真器） 下表一是网络分析仪测试图三、图四电路的测试数据。 + VSWR 项目 14 17 20 23 24 25 26 27 28 29 30 电阻ATN 4.9 4.89 4.93 5 5.1 5.2 5.2 5.1 5 4.8 4.7 电缆ATN 6.3 5.4 6.3 5.7 5.3 5.08 4.9 4.8 4.4 3.9 3.8 图五、图六是以上两电路的smith原图。 图五（用电阻构成的VSWR仿真器） 图六（用射频电缆构成的VSWR仿真器） 比较两电