CN103997304A - 一种大功率车载电台射频功率放大电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率车载电台射频功率放大电路，其由前置预推动放大器产生的射频信号经推动功率耦合阻抗匹配电路送入推动放大器放大，再经推动管负载匹配电路输出至末级功率放大器放大，再经末级功率放大器输出匹配电路传送到天线终端，VDD电源经稳压IC电路稳压，再经第一LC滤波电路滤波后送入推动放大器，VDD电源经第二滤波电路滤波后送入末级功率放大器。通过对推动放大器采用稳压供电，使末级功率放大实现了高稳定性、高可靠性、高质量的功率放大。而且，采用高频微波大功率放大管和其阻抗匹配电路及高频微波大功率放大管专用匹配底座和上盖进行有效匹配替代传统的针对不同的频段使用相对应的功率管放大，保证阻抗匹配在最佳点，使得本发明在UHF频段、VHF频段和HF频段极宽的频带范围内实现高增益、高线性、高效率的射频功率放大输出。

Description

一种大功率车载电台射频功率放大电路

技术领域

本发明涉及无线发射技术领域，特别涉及一种大功率车载电台射频功率放大电路。

背景技术

当前，大功率车载电台的射频功率放大电路，普遍采用分立器件来做多级放大，因为单级功率的增益不可能做到很高，整个功率放大链路的性能指标和末级功率放大和推动级有很大的直接相关性，在传统电路中这两级都是无法做电源控制的，两级电路都是直接电源无控制供电，推动级的特性对末级功率放大的输出功率、射频指标和稳定性影响重大，传统电路普遍采用一个高功率、高耐压、高成本的推动激励管；另外两级都基于一个APC控制电路直接控制，但APC控制是一个滞后控制器，需要检测反馈后才能做出相应的控制，APC是一个功率驻波检测电路不能对供电电源做出任何控制及响应，当电源大幅度波动时虽然输出功率能控制在范围内，但对电源电压波动造成末级推动功率输入匹配是完全无法响应的，这样会造成在过高电源电压时末级推动功率过激励，在过低电源电压时末级推动功率激励不足，造成末级功率管功率输出波动且末级功率管工作效率严重下降，严重则会造成功率管损坏。

而且，传统的车载电台的末级功率放大器的功率管选型都是根据其频率频段然后采用相对应频段的功率放大管做功率输出，并参考此功率管或功率模块的参数进行匹配电路设计，如VHF频段功率放大，采用VHF段的相对应的功率管及此管的匹配参数，UHF频段功率放大，采用UHF段的相对应的功率管及此管的匹配参数；采用此方案的射频功率放大电路都是应用此功率管的极限参数条件下，不能在宽频段范围内达到理想的功率输出特性，即在全频段范围内无法做到宽频带的线性放大，放大增益随工作频率变化大造成功率输出平坦度极差，且效率也随着大范围变化，主要表现在高频率点功率放大时输出衰退，效率变差，低频率功率放大时输出时参数变化引起阻抗匹配不在最佳点，同样不能达到应有的输出功率及效率。这种常规类型的功率放大管及电路显然已不能满足当前宽频段车载电台的要求。

发明内容

针对上述的问题，本发明的目的是提出一种大功率车载电台射频功率放大电路，其可有效改善大功率车载电台的整个射频发射电路及末级功率管的可靠性和发射性能指标，并可降低推动管的选取成本，易于选型；而且能在UHF频段440-512MHz，400-490MHz，300-350MHz，350-390MHz及VHF频段220-280MHz，136-174MHz，66-88MHz，HF频段25-50MHz极宽的频带范围内实现高增益、高线性、高效率的射频功率放大输出。

为解决此技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种大功率车载电台射频功率放大电路，包括PCB板，VDD电源，依次连接的前置预推动放大器、推动功率耦合阻抗匹配电路、推动放大器、推动管负载匹配电路、末级功率放大器、末级功率放大器输出匹配电路、天线终端，以及依次连接的微处理器、D/A转换器、APC控制电路；所述APC控制电路的反馈输入端连接所述天线终端的反馈信号端、输出端分别与所述推动放大器和所述末级功率放大器相连接；

还包括稳压IC电路和第一LC滤波电路，所述VDD电源经所述稳压IC电路稳压，再经所述第一LC滤波电路滤波后送入所述推动放大器；

还包括第二LC滤波电路，所述VDD电源经所述第二LC滤波电路后为所述末级功率放大器提供电源；

所述末级功率放大器由高频微波大功率放大管和阻抗匹配电路构成，所述阻抗匹配电路包括输入特性阻抗匹配电容和输出负载特性阻抗匹配电容，所述输入特性阻抗匹配电容的一端连接所述高频微波大功率放大管的栅极，另一端接地，所述输出负载特性阻抗匹配电容的一端连接所述高频微波大功率放大管的漏极，另一端接地，所述高频微波大功率放大管的源极接地；

所述高频微波大功率放大管的底面贴在纯铜镀银的接地底座上、顶面覆设有纯铜镀银的上盖；所述PCB板上对应于所述高频微波大功率放大管的安装位置开设有通孔，此通孔下方固定有散热平台，所述接地底座嵌在所述通孔内并叠置于此散热平台上，所述PCB板上对应于所述上盖的四个角分别设置有接地焊盘，此四个接地焊盘与所述上盖的四个角分别对应焊接在一起；其中，所述输入特性阻抗匹配电容安装在所述PCB板上靠近所述高频微波大功率放大管的栅极处，且所述输入特性阻抗匹配电容接地一端的焊盘与所述上盖相应的接地焊盘紧邻设置并通过紧邻的电路板地网铜箔连接在一起；所述输出负载特性阻抗匹配电容安装在所述PCB板上靠近所述高频微波大功率放大管的漏极处，且所述输出负载特性阻抗匹配电容接地一端的焊盘与所述上盖相应的接地焊盘紧邻设置并通过紧邻的电路板地网铜箔连接在一起。

本发明的大功率车载电台射频功率放大电路，还包括温控保护电路，所述温控保护电路具有热敏电阻和热传导温度控制电路，所述热敏电阻安装于所述PCB板上靠近所述高频微波大功率放大管的位置，所述热敏电阻连接于所述热传导温度控制电路的输入端，所述热传导温度控制电路的输出端并入所述D/A转换器的输出端共同连接到所述APC自动功率控制器的控制端。

所述高频微波大功率放大管采用型号为MRF7042、SRF7042、MRF187、MRF187S、XRF187S,MRF184或MRF184S的LDMOS工艺的射频功率场效应晶体管。

上述稳压IC电路为带控制端的可控稳压IC电路。

通过采用前述技术方案，本发明的有益效果是：

一方面，推动放大器和末级功率放大器的电源分开供电，末级功率管由VDD电源直接供电，推动放大器所需的电源经稳压IC电路稳压后被第一LC滤波电路滤除相关干扰的纹波再进入至推动放大器，保证其电源供给稳定，不会因电源输入波动引起功率输出不稳定，从而提供给末级功放稳定的推动输出功率，有效减少了电源波动和电路纹波引起推动功率变化造成末级输出功率大范围变动，引起功率超过标准规定，并防止可能引起功率管过激励损坏，或输出功率偏低影响通信距离；有效提升发射谐波质量。本发明通过对推动放大器采用稳压供电，使末级功率放大实现了高稳定性、高可靠性、高质量的功率放大。

另一方面，由VDD电源提供给末级功率放大器所需的电源经第二LC滤波电路抑制电源中相关干扰的纹波再进入高频微波大功率放大管，采用高频微波大功率放大管和其阻抗匹配电路及高频微波大功率放大管专用匹配底座和上盖进行有效匹配替代传统的针对不同的频段使用相对应的功率管放大，保证阻抗匹配在最佳点，防止电路因阻抗匹配不佳，造成功率管损坏或效力下降，使得本发明在UHF频段、VHF频段和HF频段极宽的频带范围内实现高增益、高线性、高效率的射频功率放大输出。

又一方面，PCB板上对应于上盖的四个角分别设置有接地焊盘，输入特性阻抗匹配电容和输出负载特性阻抗匹配电容接地一端的焊盘分别与上盖相应的接地焊盘紧邻设置，并通过紧邻的电路板地网铜箔连接在一起就近接地。而且，上盖和安装底座采用纯铜镀银材料制成，具有良好的导电效果(镀银后可使纯铜表面不会氧化)，等效电感小，可使输入特性阻抗匹配电容和输出特性阻抗匹配电容通过上盖实现距离最短、电阻值最小同功率管源极S形成共地，使输入特性阻抗匹配电容和输出特性阻抗匹配电容接地匹配最佳，有效的减少输入特性阻抗匹配电容和输出特性阻抗匹配电容对功率管G、D级的等效电感，减少输入输出的传输损耗，从而提高功率管的效率，并有效解决了高频微波大功率放大管应用于低频段场合引起的自激问题和输入栅极损坏问题。

附图说明

图1是本发明实施例的原理框图；

图2是图1中末级功率放大器的电路原理图；

图3是图1中温控保护电路的电路原理图；

图4是本发明中PCB板未安装高频微波大功率放大管和接地底座的结构示意图；

图5是本发明中PCB板已安装高频微波大功率放大管和接地底座(未焊接)的结构示意图；

图6是图5中接地底座的结构示意图；

图7是本发明中PCB板已安装高频微波大功率放大管、接地底座和上盖(未焊接)的结构示意图；

图8是本发明另一实施例的原理框图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

参考图1-图7，本发明的一种大功率车载电台射频功率放大电路，包括VDD电源1、前置预推动放大器2、推动功率耦合阻抗匹配电路3、推动放大器4、推动管负载匹配电路5、末级功率放大器6、末级功率放大器输出匹配电路7、天线终端8、APC控制电路9、稳压IC电路10、第一LC滤波电路11、D/A转换器12、微处理器13、第二LC滤波电路14、温控保护电路17、发射电源控制电路18、8V稳压电路19和PCB板15。前置预推动放大器2、推动功率耦合阻抗匹配电路3、推动放大器4、推动管负载匹配电路5、末级功率放大器6、末级功率放大器输出匹配电路7和天线终端8依次连接。

所述VDD电源1分三路，其中一路经8V稳压电路19稳压后送入发射电源控制电路18，发射期间发射电源控制电路18受CPU控制才输出8T电压给前极发射电路供电；另一路经过第二LC滤波电路14滤波后为末级功率放大器6提供电源；再一路经稳压IC电路10稳压，再经第一LC滤波电路11滤波后送入推动放大器4，为推动放大器4提供稳定电源供给。

所述8V稳压电路19为发射电源控制电路18提供电源，微处理器13的一输出端连接至发射电源控制电路18的控制端，控制发射电源控制电路18工作与否，发射期间发射电源控制18的输出8T提供前置预推动放大器2及前级的发射电路工作电压。

所述第一LC滤波电路11为无源磁珠LC滤波电路，提供给推动放大电路稳定的电源电压。

工作时，由微处理器13控制发射电源控制电路18打开8T输出，为前置预推动放大器2及前级的发射电路提供电源电压，前置预推动放大器2开始工作，产生的射频信号经推动功率耦合阻抗匹配电路3送入推动放大器4放大，再经推动管负载匹配电路5输出至末级功率放大器6放大，再经末级功率放大器输出匹配电路7传送到天线终端8。

所述末级功率放大器6由高频微波大功率放大管61和成套阻抗匹配电路构成，所述高频微波大功率放大管采用型号为MRF7042、SRF7042、MRF187、MRF187S、XRF187S,MRF184或MRF184S的LDMOS工艺的射频功率场效应晶体管。LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)横向扩散金属氧化物半导体)是为900MHz蜂窝电话技术开发的，蜂窝通信市场的不断增长保证了LDMOS晶体管的应用，也使得LDMOS的技术不断成熟，成本不断降低，因此今后在多数情况下它将取代双极型晶体管技术。与双极型晶体管相比,LDMOS管的增益更高，LDMOS管的增益可达14dB以上。高频微波大功率放大管在基站中大量使用，当其工作在低频段时，因管子的输入输出阻抗很低，共地问题就特别突出，处理不当会引起自激、效率下降等。本发明将这种高频管应用于低频段的对讲机中，为了使高频微波大功率放大管能正常工作，必须对其阻抗匹配进行特殊的设计。

本发明中，所述成套阻抗匹配电路包括输入特性阻抗匹配电容C1、C2和输出负载特性阻抗匹配电容C3、C4，所述输入特性阻抗匹配电容C1、C2的一端分别连接所述高频微波大功率放大管的栅极(如图2、图5所示，栅极是一个大金属片611)，另一端接地，所述输出负载特性阻抗匹配电容C3、C4的一端连接所述高频微波大功率放大管61的漏极(如图2、图5所示，漏极是一个大金属片612)，另一端接地，所述高频微波大功率放大管61的源极接地。所述输入特性阻抗匹配电容C1、C2和输出负载特性阻抗匹配电容C3、C4在电路板上排版时一般是垂直放置，但如角度有稍微倾斜并不影响其性能。

所述PCB板15上对应于所述高频微波大功率放大管61的安装位置开设有通孔155，此通孔155下方固定有散热平台16，散热平台16的两端分别设有螺栓孔161，一纯铜镀银的接地底座62嵌在此通孔内并叠置于此散热平台16上，接地底座62中部具有用于贴固高频微波大功率放大管61的呈下凹状的安装平台621，两端为连接端622，此两个连接端622上分别开设有螺栓孔623。所述高频微波大功率放大管61的底面(源极)贴在接地底座62上、顶面覆设有纯铜镀银的上盖63，上盖63的四个角分别向外伸设有焊接部631，上盖63的两端中部分别开设有螺栓孔632，PCB板15上对应于上盖63的四个角的焊接部631分别设置有接地焊盘151、152、153、154，对应于高频微波大功率放大管61的栅极和漏极分别设置有焊盘156、157。所述输入特性阻抗匹配电容C1、C2安装在所述PCB板15上靠近所述高频微波大功率放大管61的栅极(金属片611)处，PCB板15上对应于输入特性阻抗匹配电容C1、C2的两端(脚)分别设有焊盘，所述输入特性阻抗匹配电容C1、C2与高频微波大功率放大管61的栅极(金属片611)相对应连接的焊盘分别紧邻设置于焊盘156的两侧并通过紧邻的电路板铜箔连接在一起，所述输入特性阻抗匹配电容C1、C2接地一端的焊盘分别与接地焊盘151、152紧邻设置并通过紧邻的电路板地网铜箔连接在一起，实现就近接地；所述输出负载特性阻抗匹配电容C3、C4安装在所述PCB板上靠近所述高频微波大功率放大管61的漏极(金属片612)处，PCB板15上对应于输出特性阻抗匹配电容C3、C4的两端(脚)分别设有焊盘，所述输出特性阻抗匹配电容C3、C4与高频微波大功率放大管61的漏极(金属片612)相对应连接的焊盘分别紧邻设置于焊盘157的两侧并通过紧邻的电路板铜箔连接在一起，所述输出负载特性阻抗匹配电容C3、C4接地一端的焊盘分别与接地焊盘153、154紧邻设置并通过紧邻的电路板地网铜箔连接在一起，实现就近接地。散热平台16的螺栓孔161、接地底座62的螺栓孔623和上盖63的螺栓孔632相对应设置。

高频微波大功率放大管61的安装过程如下：先将高频微波大功率放大管61贴固在接地底座62的安装平台621上，再将带有高频微波大功率放大管61的接地底座62放入至PCB板15的通孔155内叠置在散热平台16上，盖好上盖63，螺栓158依次穿过上盖63的螺栓孔632、接地底座62的螺栓孔623和散热平台16的螺栓孔161，将上盖63、接地底座62和散热平台16三者锁固在一起。将高频微波大功率放大管61的栅极与焊盘156之间，高频微波大功率放大管61的漏极与焊盘157之间，以及上盖63的四个焊接部631与接地焊盘151、152、153、154之间，分别对应焊接在一起。

安装后，输入特性阻抗匹配电容C1、C2和输出特性阻抗匹配电容C3、C4接地一端的焊盘分别通过电路板地网铜箔连接至紧邻的接地焊盘151、152和紧邻的接地焊盘153、154实现就近接地。高频微波大功率放大管61的源极通过上盖63、接地底座62和螺栓158进行可靠接地，实现了源极S与电路板形成良好共地回路。

所述天线终端8由依次连接的天线开关81、低通滤波器82和天线83构成。

所述APC控制电路9由功率检测二极管91和APC自动功率控制器92构成；所述功率检测二极管91的输入端连接于所述天线终端8的信号反馈端(低通滤波器82的输出端)，功率检测二极管91的输出端连接于所述APC自动功率控制器92的输入端，APC自动功率控制器92的输出端分别与推动放大器4和末级功率放大器6相连接，所述微处理器13经D/A转换器12连接至APC自动功率控制器92的控制端。通过功率检测二极管91检测末级放大器6输出的功率变化，并生成相应的电压，提供至APC自动功率控制器92与来自微处理器13的参考值经D/A转换器12(即数/模转换器)生成的参考电压进行比较，得出结果控制推动放大器4和末级功率放大器6。

温控保护电路17具有负温度系数电阻171(RT1)和热传导温度控制电路172，所述负温度系数电阻171安装于所述PCB板151上靠近所述高频微波大功率放大管61的位置，所述负温度系数电阻171连接于所述热传导温度控制电路172的输入端，所述热传导温度控制电路172的输出端连接至APC自动功率控制器92的控制端(A)。具体地，如图3所示，受控的发射电源8T经电阻R1和负温度系数电阻RT1、电阻R3接地，串联组成一个随温度线性变化的参考基准电压，这个电压从电阻R3取出，经电容C1滤波后作为给三极管Q1三极管的控制电压，因为负温度系数电阻RT1是个负温度特性的温变电阻，其会随着温度的线性升高而电阻值会线性变小，这时电阻R3上的串联基准电压会因为电阻的减小面升高，当温度升高到一个比较高的设定值时三极管Q1就会进入导通状态，三极管Q1上串联的缓冲电阻R2把APC自动功率控制器92的温度控制输入端(A点)的APC参考电压拉低，与来自末端功率检测二极管91来的功率电平电压进行比较，控制APC自动功率控制器92形成负反馈，直接控制推动放大器4和末级功率放大器6，温度越高则三极管Q1的导通量越大，则APC参考电压就越低，使推动放大器4和末级功率放大器6的输出功率下降，电流下降，功耗下降，当温度下降到一稳定的安全范围内，使推动放大器4和末级功率放大器6的输出功率被限制在一个安全的功率输出范围内，从而保护功放的安全。本温控回路17对功率的控制是直接经过APC自动功率控制器92控制两级的功率，当温度上升到设定值后功率才随温度线性下降；且其采用纯硬件控制，工作时反应速度快，且功率下调平稳，在保护推动放大器4和末级功率放大器6不被烧坏的情况下同时确保通讯不会突然中断。

本发明通过对大功率车载电台末级功率放大的前级推动放大提供可控的稳定稳压，使推动级放大输出不受电源大范围波动影响，即VDD电源提供稳压IC电路和末级功率管的电源供给，推动放大器所需的电源经稳压IC电路稳压后被LC滤波电路滤除相关干扰的纹波进入至推动放大器，保证其电源供给稳定，不会因电源输入波动引起功率输出不稳定，从而提供给末级功放稳定的推动输出功率，有效减少了电源波动和电路纹波引起推动功率变化造成末级输出功率大范围变动，引起功率超过标准规定，并防止可能引起功率管过激励损坏，或输出功率偏低影响通信距离，有效提升发射谐波质量。本发明的稳压电路的使用使末级功率放大实现了高稳定性、高可靠性、高质量的功率放大。

本发明的另一个实施例如图8所示，其将发射电源控制电路18的一输出端连接至稳压IC电路10，相应地，稳压IC电路10采用带控制端的稳压IC电路，具体地，可采用KIA378RXX的4终端3A输出低压降稳压器，KIA378RXX系列低压降稳压器适合于各种电子设备，可提供恒定的电源电压。本实施例将发射电源控制电路18的一输出端连接至稳压IC电路10，控制稳压IC电路10的工作状态，只有当放大电路工作在发射状态时稳压IC电路10才为推动放大器4的提供工作电源，接收状态下可切断推动放大器4的工作电源，大大提高末级功率放大器6的可靠性，且在关断时可降低整机的待机工作电流。带控制端的稳压IC电路具有过流、过热关断的保护作用，保证了车载电台在宽的频率范围内输出功率波动小和输出发射谐波等各项指标符合国内及国际标准。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种大功率车载电台射频功率放大电路，包括PCB板，VDD电源，依次连接的前置预推动放大器、推动功率耦合阻抗匹配电路、推动放大器、推动管负载匹配电路、末级功率放大器、末级功率放大器输出匹配电路、天线终端，以及依次连接的微处理器、D/A转换器、APC控制电路；所述APC控制电路的反馈输入端连接所述天线终端的反馈信号端、输出端分别与所述推动放大器和所述末级功率放大器相连接；其特征在于：

还包括稳压IC电路和第一LC滤波电路，所述VDD电源经所述稳压IC电路稳压，再经所述第一LC滤波电路滤波后送入所述推动放大器；

还包括第二LC滤波电路，所述VDD电源经所述第二LC滤波电路后为所述末级功率放大器提供电源；

所述末级功率放大器由高频微波大功率放大管和阻抗匹配电路构成，所述阻抗匹配电路包括输入特性阻抗匹配电容和输出负载特性阻抗匹配电容，所述输入特性阻抗匹配电容的一端连接所述高频微波大功率放大管的栅极，另一端接地，所述输出负载特性阻抗匹配电容的一端连接所述高频微波大功率放大管的漏极，另一端接地，所述高频微波大功率放大管的源极接地；

所述高频微波大功率放大管的底面贴在纯铜镀银的接地底座上、顶面覆设有纯铜镀银的上盖；所述PCB板上对应于所述高频微波大功率放大管的安装位置开设有通孔，此通孔下方固定有散热平台，所述接地底座嵌在所述通孔内并叠置于此散热平台上，所述PCB板上对应于所述上盖的四个角分别设置有接地焊盘，此四个接地焊盘与所述上盖的四个角分别对应焊接在一起；其中，所述输入特性阻抗匹配电容安装在所述PCB板上靠近所述高频微波大功率放大管的栅极处，且所述输入特性阻抗匹配电容接地一端的焊盘与所述上盖相应的接地焊盘紧邻设置并通过紧邻的电路板地网铜箔连接在一起；所述输出负载特性阻抗匹配电容安装在所述PCB板上靠近所述高频微波大功率放大管的漏极处，且所述输出负载特性阻抗匹配电容接地一端的焊盘与所述上盖相应的接地焊盘紧邻设置并通过紧邻的电路板地网铜箔连接在一起。

2.根据权利要求1所述的大功率车载电台射频功率放大电路，其特征在于：还包括温控保护电路，所述温控保护电路具有热敏电阻和热传导温度控制电路，所述热敏电阻安装于所述PCB板上靠近所述高频微波大功率放大管的位置，所述热敏电阻连接于所述热传导温度控制电路的输入端，所述热传导温度控制电路的输出端并入所述D/A转换器的输出端共同连接到所述APC自动功率控制器的控制端。

3.根据权利要求1所述的大功率车载电台射频功率放大电路，其特征在于：所述高频微波大功率放大管采用型号为MRF7042、SRF7042、MRF187、MRF187S、XRF187S、MRF184或MRF184S的LDMOS工艺的射频功率场效应晶体管。

4.根据权利要求1所述的大功率车载电台射频功率放大电路，其特征在于：上述稳压IC电路为带控制端的可控稳压IC电路。