CN102684712B - 一种高效率调频发射机、功率放大器电路结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率调频发射机，涉及无线测控通信技术的发射装置，包括调频源、功率放大器、隔离器、供电电路和天线，还包括有对输入的PCM信号进行滤波处理的预调滤波器，所述预调滤波器与调频源连接，所述功率放大器为开关类功率放大器，且开关类功率放大器选择GaAs或GaN器件，GaAs或GaN器件的栅极电压为负电偏置，所述供电电路是供电及时序控制电路，GaAs或GaN器件与所述供电时序配合。本发明降低了发射机的功耗，减小了发射机的散热需求，有利于调频发射机的集成化与小型化。

Description

一种高效率调频发射机、功率放大器电路结构及设计方法

技术领域

本发明涉及无线测控通信技术的发射装置，尤其涉及一种基于高效开关类功率放大器的调频发射机。

背景技术

一、与本发明相关的技术背景

调频发射机是航空测控系统的重要组件。近几十年它有如下发展趋势：高码速率、数字化可编程、小型化等。其中小型化是多种技术的综合体现，也是缩小我国测控设备与发达国家同类设备性能差距的关键。实现调频发射机小型化有一个重要的制约因素——直流能量转换为微波能量的效率。对于中远距测控任务，发射机必须供给足够大的微波能量。整机能量转换效率低下意味着系统需要提升电池容量和设备散热能力，这显然增大了空间需求。提高发射机工作效率可有效缩减系统散热体积，延长电池寿命，扩大遥测距离。

二、与本发明相关的现有技术

1、现有调频发射机构架

目前测控系统发射机主要采用PCM/FM信号体制。一种典型的PCM/FM发射机的结构图如图1所示。主要功能模块包括调频源、功率放大器、隔离器和供电电路。PCM信号送入调频源对载波进行频率调制产生所需的调频信号。调频信号经功率放大器后获得足够的能量，可由天线辐射到自由空间。功率放大器输出端需加入隔离器，从而避免功率反射烧毁功放器件。该发射机系统并不复杂，其中调频源一般采用锁相调频方式，工程应用成熟，可参考文献《周邦华.一种高码速率微波锁相调频遥测发射机.电讯技术，2002（6）：36-39》，在此不再赘述。

但上述现有技术仍然存在以下缺点：功率放大器是发射机中的主要耗能组件，其工作效率直接影响整机的功耗。目前调频发射机中功率放大器的工作效率一般不高于30%。以文献《周邦华.一种高码速率微波锁相调频遥测发射机.电讯技术，2002（6）：36-39》为例，其发射机选用功放器件一般工作状态为供电24V，电流1A，输出功率5W。由此可计算出功放的工作效率为20.8%。最终该发射机整机指标如下：供电27V，电流1.3A，输出功率7W，整机效率19.9%，有28.1W的能量以热能形式耗散。

目前测控调频发射机功率放大器的设计工作对器件厂商提供的典型应用电路过于依赖。功放管厂商提供的典型应用电路一般工作于A类或AB类状态，为保证获取较高的线性度，牺牲了效率指标。然而目前测控通信系统采用调频信号体制，对放大器的线性度指标并无较高需求。因此，可以通过改变功放管工作状态，并改进负载网络拓扑结构，使放大器获得较高的工作效率。

、现有高效开关功放设计技术

传统功率放大器效率提高技术主要依赖于减小导通角。AB类、B类或C类功率放大器均是采用这种方法减小放大器的平均电流从而提高工作效率。导通角减小至零，放大器无损耗，但是也无功率输出。因此这种提升效率的方式存在瓶颈。

提高功放管工作效率的另一途径是避免其漏极电压和电流波形重叠，开关E、F类放大器均是基于这一思路实现高效率功率放大。开关类功率放大器偏置点的选取与B类放大器相同，但是负载网络有较大差异。E类功放依靠储能器件调整漏极电压电流波形，通过时域分析求得使漏极电压和电流波形交错的负载网络各器件值，从而实现零损耗的理想负载网络设计。F类功放采用谐振电路对漏极电压波形进行整形，其负载对奇次谐波断路，对偶次谐波短路。因此漏极电压只包含有奇次谐波成分，近似为方波，而漏极电流包含基波与偶次谐波分量，时域波形为半个正弦波。这样也使得漏极电压与电流波形没有重叠部分，即放大器获得100%的理想工作效率。

但上述现有技术仍然存在以下缺点：

E类功放的漏极电压较高（逆E类功放的漏极电流较高），降低了器件工作时的安全性；F类功放则具有复杂的谐波控制电路，实际电路设计时无法实现理想的谐波控制条件，降低了功放的效率性能。

目前E、F类功率放大器设计技术仍属于学术研究范围，国内工程应用报道较少。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于高效开关类功率放大器的调频发射机，本发明降低了发射机的功耗，减小了发射机的散热需求，有利于调频发射机的集成化与小型化。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种高效率调频发射机，包括调频源、功率放大器、隔离器、供电电路和天线，其特征在于：还包括有对输入的PCM信号进行滤波处理的预调滤波器，所述预调滤波器与调频源连接，所述功率放大器为开关类功率放大器，且开关类功率放大器选择GaAs或GaN器件，GaAs或GaN器件的栅极电压为负电偏置，所述供电电路是供电及时序控制电路，GaAs或GaN器件与所述供电时序配合。

所述的供电时序为：上电时先在栅极加负偏压，然后在漏极加正电压；断电时先在栅极加正电压，然后在漏极加负偏压。

所采用的开关类功率放大器的电路结构具体是：采用具有谐波控制电路的逆E类功放电路，既具备逆E类功放的负载网络，又具有F类功放谐波控制电路单元，其具体电路结构及电气连接关系如下：

驱动信号频率为；电源供电电压为；射频扼流圈RFC使得电源电流是稳定的直流；并联谐振网络谐振于基频，即对基波断路，对各次谐波短路；电感用于调整开关电流及电压波形使得其满足零电流转换条件；隔直器DC block避免直流成分短路至地；电容和电阻为基波提供合适的阻抗，并联谐振网络的谐振频率为，n为自定义设计取值。

所述n的取值为3.1。

开关类功率放大器的电路结构的设计方法为：在在确定工作频率与输出功率后，选取合适的功放管器件进行功放电路设计，依据直流扫描结果中栅极电压和漏极电流的关系曲线，选取功放管开启与关闭的临界栅压为栅极偏置电压，然后搭建源牵引仿真平台找到最佳源阻抗并设计输入匹配电路，接着采用各元件求解出各元件取值，并将负载阻抗匹配到50欧姆，这样即得到了开关类功率放大器完整的集总参数电路结构。

所述的负载网络设计公式为：：；：；：；：；：；：；：；其中漏极供电电压为，功放输出功率为，工作频率，是并联谐振网络的有载品质因数。

与现有技术相比，本发明所达到的技术效果如下：

1、经过下述实施例部分的实验数据的验证，与现有技术相比，本发明采用开关类功率放大器替代传统调频发射机中工作效率低下的线性功率放大器，从而降低了发射机的功耗，减小其散热需求，有利于调频发射机的集成化与小型化。

2、本发明中提出的功率放大器电路结构相比于传统的E类/逆E类功率放大器，具有较低的漏极峰值电压/峰值电流，增强了器件工作时的安全性；相比于传统的F类功率放大器，本发明提出的电路结构清晰简明，负载网络可直接由提供的设计公式确定，易于实现最佳负载匹配。总之，依据本发明方案提供的电路结构及设计方法，可令一种高效率射频功率放大器的工程设计简单易行。

3、本发明中，选择截止频率较高的GaAs、GaN器件，能使其在微波测控频段（S频段）获得较好的开关特性。

4、本发明中，采用GaAs或GaN器件与所述供电时序配合，能够使功率放大器更加安全地工作。

5、本发明中，当n取值为3.1时，相比于一般的E类或逆E类功放，该放大器的漏极电压及电流的峰值均较低，且具有较高的功率输出能力。

6、本发明中,采用了高效率开关类功率放大器，相比于文献《曹韬.S波段高效GaN逆E类功率放大器.微波学报，2011（27）：49-52》中的放大器结构，本发明中放大器的负载网络增添了一个并联谐振电路，从而使功放管获得更低的漏极峰值电压，减小了功放管在工作时由于漏极峰值电压过高而被击穿的风险，增强了器件的安全性。此外，由于负载网络增加了可调谐器件，因此在实际工程调试时，可通过适当调整新增器件的取值来使放大器获得最佳负载，从而避免对抑制谐波的开路微带线进行改动，确保放大器具有较好的谐波抑制能力。实测数据表明，相比文献《曹韬.S波段高效GaN逆E类功率放大器.微波学报，2011（27）：49-52》提出的放大器，本发明中的放大器工作效率更高，且谐波抑制能力具有明显改善。综上所述，本发明中的功率放大器结构更适于工程应用。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1 现有调频发射机结构图；

图2 本发明调频发射机结构图；

图3 具有谐波控制电路的逆E类功放等效开关模型电路原理图；

图4 具有谐波控制电路的逆E类功放微带线拓扑结构图；

图5 功放性能与漏极供电电压的关系曲线；

图6 功放性能与输入信号功率的关系曲线；

图7 功放性能与输入信号频率的关系曲线。

1、预调滤波器，2、调频源，3、开关类功率放大器，4、隔离器，5、供电及时序控制电路，6、PCM信号，7、天线。

具体实施方式

实施例1

作为本发明的一较佳实施方式，包括调频源2、功率放大器、隔离器4、供电电路和天线7，还包括有对输入的PCM信号6进行滤波处理的预调滤波器1，所述预调滤波器1与调频源2连接，所述功率放大器为开关类功率放大器3，且开关类功率放大器3选择GaAs或GaN器件，GaAs或GaN器件的栅极电压为负电偏置，所述供电电路是供电及时序控制电路5，GaAs或GaN器件与所述供电时序配合。

实施例2

作为本发明的最佳实施方式如下：

本发明提供的高效率调频发射机包括以下部分：

预调滤波器1，对输入PCM信号6进行滤波，滤除其高频分量，保留基频成分，从而缩减有用信号带宽。该预调滤波器1可由五阶贝塞尔低通滤波器结构实现。

调频源2，产生系统所需调频信号。PCM信号6经过预调滤波后送入该调频源2对载波信号进行频率调制。该单元可采用锁相调频结构，与现有调频发射机方案相同，在此不必赘述。

高效功率放大器，对调频信号进行功率放大，将供给的直流能量转换为微波能量输出。本发明中采用一种具有谐波控制电路的逆E类功率放大器拓扑结构，使功放管获得高效率工作状态。

隔离器4，避免发射功率反射烧毁功放管器件。该发射机输出端将与发射天线7连接，如果天线7匹配不佳或由于人为因素造成发射机空载，则发射信号会反射回功率放大器输出端，因此加入该隔离器4吸收反射功率，保护功放管器件。

供电及时序控制电路5，对整个发射机系统进行供电控制。由于测控调频发射机一般采用电池供电，供电电压可能在一定范围内波动，因此要求发射机对供电电压进行稳压，确保系统正常工作。此外，由于本发明采用的高效功率放大器为开关类功放，为使其在微波测控频段（S频段）获得较好的开关特性，因此需要选择截止频率较高的GaAs、GaN器件。GaAs、GaN器件的栅极电压为负电偏置，且器件需要特定的供电时序才能安全工作。供电时序如下：上电时先在栅极加负偏压，然后在漏极加正电压；断电时则相反。

图2为本发明所示高效调频发射机结构框图。该发射机中预调滤波器1、调频源2、隔离器4、供电及时序控制电路5等单元的设计方法较为成熟，工程应用实例较多，故在此仅对高效功率放大器单元的设计方法进行详细阐述：

图3是一种具有谐波控制电路的逆E类功放电路原理图，它既具备逆E类功放的负载网络，又有F类功放谐波控制电路单元。驱动信号频率为；电源供电电压为；射频扼流圈RFC使得电源电流是稳定的直流；并联谐振网络谐振于基频，即对基波断路，对各次谐波短路；电感用于调整开关电流及电压波形使得其满足零电流转换（ZCS）条件；隔直器DC block避免直流成分短路至地；电容和电阻为基波提供合适的阻抗。并联谐振网络的谐振频率为，n为自定义设计取值。通过建立数学模型进行稳态时域分析，可获得放大器负载网络各个器件精确的设计方程，以及放大器的一些特性参数。

当n取值为3.1时，相比于一般的E类或逆E类功放，该放大器的漏极电压及电流的峰值均较低，且具有较高的功率输出能力。此时，负载网络各器件取值公式见表1，其中漏极供电电压为，功放输出功率为，工作频率，是并联谐振网络的有载品质因数。

表1 负载网络设计取值公式

本发明提出的具有谐波控制电路的逆E类功放适于工程应用。在确定工作频率与输出功率后，可选取合适的功放管器件进行功放电路设计。依据直流扫描结果中栅极电压和漏极电流的关系曲线，选取功放管开启与关闭的临界栅压为栅极偏置电压，然后搭建源牵引仿真平台找到最佳源阻抗并设计输入匹配电路。接着采用表一中给出的负载网络各元件设计公式求解出各元件取值，并将负载阻抗匹配到50欧姆。这样即得到了该放大器完整的集总参数电路结构。

本发明提出的放大器集总参数负载网络可以转化为微带线拓扑结构。该微带线拓扑结构的具体实现方式可由功放设计人员自行确定。在此给出一种可行的微带线拓扑结构，见图4。

图4中功放管代替图3中的等效开关模型，其输入匹配电路与一般功率放大器设计方法类似，此处不再描述。图4中的微带线L1，代替图3中的电感。图4中的微带线L2，代替图3中电感。图4中开路微带线L3、L4等效图3中的。图4中微带线L5、L6、L7将图3中的负载电阻匹配到50欧标准阻抗。相比于集总参数结构，该放大器的微带线拓扑结构去除了并联滤波谐振网络。为了实现并联谐振网络对谐波的滤除功能，图4中的四节开路微带线L3、L4、L6、L7的电长度分别设为基频的二次，三次，四次，五次谐波的1/4波长，故使得负载网络在这些谐波点上呈现为零阻抗。图4中的四段开路微带线不仅替代了图3中的并联谐振滤波网络，而且是阻抗匹配网络的组成部分。依据上述结构设计放大器负载匹配网络，通过适当调谐，可使放大器获得高效工作状态。

实施例3——发明方案可行性验证

为验证所提方案的可行性，本发明进行了仿真设计验证，并研制了原理样机。在此给出部分实测数据。

本发明基于上述功放结构及设计方法，采用GaN器件设计了S频段高效功放。当供电27V时，直流电流0.5345A，输出功率40.3dBm，增益13.3dB，工作效率78.1%，功率附加效率为75.2%。

在工作频率、输入信号功率和栅极供电电压不变的情况下，使漏极电压从小到大扫描，测试功率放大器的输出功率，直流电流并计算其增益、工作效率和功率附加效率（PAE），从而可描绘出功放性能与漏极电压的关系曲线，见图5。

在工作频率、栅极供电电压和漏极供电电压不变的情况下，使输入功率从小到大扫描，测试功率放大器的输出功率，直流电流并计算其增益、工作效率和功率附加效率（PAE），从而可描绘出功放性能与输入功率的关系曲线，见图6。

在输入功率、栅极供电电压和漏极供电电压不变的情况下，使输入频率从小到大扫描，测试功率放大器的输出功率，直流电流并计算其增益、工作效率和功率附加效率（PAE），从而可描绘出功放性能与输入频率的关系曲线，见图7。由测试结果可知，输入频率在2.2GHz—2.4GHz范围内，放大器输出功率均大于8W，工作效率均高于72%。

通过测试谐波功率，可确定该放大器对各次谐波的抑制度均优于45dBc。以上测试结果验证了本发明提出的高效射频开关功放设计方法的可行性。

在上述实验的基础上，本发明依据图2所示结构研制了高效率调频发射机。其整机尺寸为：长115mm，宽95mm，高35mm。供电电压范围24V至35V。主要针对以下条目进行测试：射频输出功率测试，调制频偏测试，调制频率响应测试等。

测试结果如下：供电27V，电流0.63A，单载波输出功率9.2W，整机效率54.2%。将该发射机调制输入端接入调制信号（频率1MHZ，占空比50%，0-5V方波信号），然后接通电源，测得输出调频信号功率为9.8W，整机效率达到57.6%。将被测发射机调制输入端接入调制信号（频率8KHz-1MHz，占空比50%，0-5V方波信号），然后接通电源，利用信号分析仪FM选件，测试调制频偏。测试数据见表2，结果满足一般测控调频发射机需求。

表2 调制频偏及频率响应测试数据

信号频率	频偏（正）/KHz	频偏（负）/KHz
			8KHz	+664.4	-654.7
50KHz	+701.1	-703.9
			100KHz	+704.5	-709.9
200KHz	+703.7	-709.1
			400KHz	+705.6	-704.3
800KHz	+721.7	-723.6
			1MHz	+678.4	-680.4

综上所述，按照本发明提供的系统方案和电路结构，可实现高效率调频发射机的设计。

Claims (4)

1.一种高效率调频发射机，包括调频源(2)、功率放大器、隔离器(4)、供电电路和天线(7)，其特征在于：还包括有对输入的PCM信号(6)进行滤波处理的预调滤波器(1)，所述预调滤波器(1)与调频源(2)连接，所述功率放大器为开关类功率放大器(3)，且开关类功率放大器(3)选择GaAs或GaN器件，GaAs或GaN器件的栅极电压为负电偏置，所述供电电路是供电及时序控制电路(5)，GaAs或GaN器件与所述供电时序配合；

所述的供电时序为：上电时先在栅极加负偏压，然后在漏极加正电压；断电时先在栅极加正电压，然后在漏极加负偏压；

所述的开关类功率放大器采用具有谐波控制电路的逆E类功放电路，既具备逆E类功放的负载网络，又具有F类功放谐波控制电路单元，其具体电路结构及电气连接关系是：

驱动信号频率为；电源供电电压为；射频扼流圈RFC一端与电源供电端连接，另一端与电感和隔直器DC block连接，射频扼流圈RFC使得电源电流是稳定的直流；电感一端为驱动信号输入端，另一端与射频扼流圈RFC及隔直器DC block连接，电感用于调整开关电流及电压波形使得其满足零电流转换条件；隔直器DC block一端与射频扼流圈RFC及电感连接，另一端与并联谐振网络连接，隔直器DC block避免直流成分短路至地；并联谐振网络一端与隔直器DC block连接，另一端与并联谐振网络、电容、电阻连接，并联谐振网络谐振于基频，即对基波断路，对各次谐波短路；电容、电阻、并联谐振网络一端均与并联谐振网络连接，另一端均与地相连，电容和电阻为基波提供合适的阻抗，并联谐振网络的谐振频率为，n为自定义设计取值。

2.根据权利要求1所述的一种高效率调频发射机所采用的功率放大器的电路结构，其特征在于：所述n的取值为3.1。

3.设计如权利要求1所述功率放大器的电路结构的方法，其特征在于：在确定工作频率与输出功率后，选取合适的功放管器件进行功放电路设计，依据直流扫描结果中栅极电压和漏极电流的关系曲线，选取功放管开启与关闭的临界栅压为栅极偏置电压，然后搭建源牵引仿真平台找到最佳源阻抗并设计输入匹配电路，接着采用负载网络设计公式求解出各元件取值，所述各元件包括：电感、电容、电感、电容、电感、电容和电阻，并将负载阻抗匹配到50欧姆，这样即得到了开关类功率放大器（3）完整的集总参数电路结构。

4.根据权利要求3所述的功率放大器的电路结构的设计方法，其特征在于：所述的负载网络设计公式为：：；：；：；：；：；：；：；其中漏极供电电压为，功放输出功率为，工作频率，是并联谐振网络的有载品质因数。