CN204304936U - 一种应用于超短波电台的射频功率放大电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于超短波无线电通信设备技术领域，特别涉及一种应用于超短波电台的射频功率放大电路。在该功率放大电路中，第一定向耦合器的直通端电连接功率放大器，第一定向耦合器用于将检测得出的射频信号功率以电压信号的形式发送至第一模数转换器；第一模数转换器电连接单片机的输入端；功率放大器的输出端电连接第二定向耦合器，第二定向耦合器用于检测接收的射频信号功率，并用于将检测得出的射频信号功率以电压信号的形式发送至第二模数转换器的输入端；第二模数转换器的输出端电连接单片机的输入端；单片机的输出端在依次电连接数模转换器和运算放大器之后电连接功率放大器的直流偏置电压控制端。

Description

一种应用于超短波电台的射频功率放大电路

技术领域

本实用新型属于超短波无线电通信设备技术领域，特别涉及一种应用于超短波电台的射频功率放大电路。

背景技术

在无线电通信设备领域，射频功率放大器扮演了重要的角色。伴随着软件无线电技术的发展，成本低廉、体型小巧的射频功率放大器将会有不小的潜在市场利益。在此设计的高平坦度数控宽带功率放大器采用推挽式放大技术，通过两个相同放大器的输入来自于一个输入功率分配器，这个功率分配器产生两路相位上正交的信号，两个相同放大器的输出又用相反连接的相同部件合成输出。为实现放大器增益平坦线性输出，传统设计采用较为复杂的负反馈、前馈或预失真电路，传统的射频功率放大器设计调试复杂，需改射频功率变放大器匹配参数达到性能指标要求，传统的射频功率放大器环路设计复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种应用于超短波电台的射频功率放大电路。

为实现上述技术目的，本实用新型采用如下技术方案予以实现。

一种应用于超短波电台的射频功率放大电路，包括：第一定向耦合器、第二定向耦合器、功率放大器、第一模数转换器、第二模数转换器、单片机、数模转换器、运算放大器，所述第一定向耦合器用于接收射频信号，所述第一定向耦合器的直通端电连接功率放大器的输入端，所述第一定向耦合器用于检测接收的射频信号功率，并用于将检测得出的射频信号功率以电压信号的形式发送至第一模数转换器的输入端；所述第一模数转换器的输出端电连接单片机的输入端；所述功率放大器的输出端电连接第二定向耦合器的输入端，所述第二定向耦合器的直通端用于输出经功率放大后的射频信号，所述第二定向耦合器用于检测接收的射频信号功率，并用于将检测得出的射频信号功率以电压信号的形式发送至第二模数转换器的输入端；所述第二模数转换器的输出端电连接单片机的输入端；所述单片机的输出端在依次电连接数模转换器和运算放大器之后电连接功率放大器的直流偏置电压控制端。

本实用新型的特点和进一步改进在于：

所述应用于超短波电台的射频功率放大电路还包括用于存储多个射频信号频率值以及每个射频信号频率值对应的功率放大器直流偏置电压值的带电可擦可编程只读存储器，所述单片机用于读取带电可擦可编程只读存储器内的数据。

所述功率放大器为AB类放大器。

所述单片机的型号为ATMEGA128L-8AU，所述每个模数转换器的型号为AD7829，所述数模转换器的型号为AD8400。

所述第一定向耦合器和第一模数转换器之间串接有第一电压比较器，所述第一定向耦合器用于将检测得出的射频信号功率以电压信号的形式发送至第一电压比较器的一个输入端，所述第一电压比较器的另一个输入端用于接收第一参考信号；所述第一电压比较器的输出端电连接第一模数转换器的输入端；

所述第二定向耦合器和第二模数转换器之间串接有第二电压比较器，所述第二定向耦合器用于将检测得出的射频信号功率以电压信号的形式发送至第二电压比较器的一个输入端，所述第二电压比较器的另一个输入端用于接收第二参考信号；所述第二电压比较器的输出端电连接第二模数转换器的输入端。

本实用新型的有益效果为：本实用新型具有结构简单、稳定性好、可靠性高、易实现的优点，且节约成本。

附图说明

图1为本实用新型的一种应用于超短波电台的射频功率放大电路的结构示意图；

图2为本实用新型的输入/输出阻抗匹配的结构框图；

图3为功率放大器匹配网络示意图；

图4为本实用新型实施例的平衡-不平衡转换器的结构示意图；

图5为4:1传输线变压器的结构示意图；

图6为本实用新型的功率放大电路的参数测量示意图；

图7为本实用新型的第一外部结构示意图；

图8为本实用新型的第二外部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

参照图1，为本实用新型的一种应用于超短波电台的射频功率放大电路的结构示意图。该应用于超短波电台的射频功率放大电路包括功率放大器和取样电路，对于超短波电台来说，由于对线性度要求不是很高、额定输出功率不是很大，在恒包络调制情况下工作，本实用新型选择通用的AB类放大器。AB类放大器的特点是效率高、成本低。由于单管的输出功率高，仅需少量的功率管即可做到较高的输出功率，所以成本低，且散热和结构设计可以简单化。目前用在AB类的管子主要选LDMOS管，AB类放大器用最大包络功率(PEP)来描述功率容量。偏置在AB类的放大器，在PEP处的互调抑制为28dBc，回退3dB时互调抑制接近40dB。为了得到大的功率输出,应当选用热阻小、电流容量大、效率高、输入和输出阻抗能力好的功率管。但值得注意的是，不可以在一个以上极限参数条件下选用功率管，一般应当留有20％的余量，特别是功率管的结温应当控制在最大额定值的80％以内,因为功率管的大多参数都与热状态有关。除此之外，还应当考虑功率管的频率、增益、输出功率等特性，本实用新型选用的功率管是NXP公司的BLF246，采用双管推挽式功放模式。

本实用新型实施例中，取样电路包括第一定向耦合器、第二定向耦合器，其中，第一定向耦合器用于接收射频信号(射频激励)，第一定向耦合器的耦合端用于将检测得出的射频信号功率以电压信号的形式向外输出。功率放大器的输出端电连接第二定向耦合器的输入端，第二定向耦合器的耦合端用于将检测得出的射频信号功率以电压信号的形式向外输出。

本实用新型实施例中，每个定向耦合器对通过其中的射频信号进行采样，检测该射频信号(正反向功率信号)的幅值。一般，位于功率放大器前的第一定向耦合器，检测进入功率放大器的射频激励信号，对功放管输入端进行保护；位于功率放大器后的第二定向耦合器，检测经功率放大器出来的功率是否过小或过大，可判决功放管的输出端是否开路或短路，对功放管输出端进行保护。在功率放大器的设计中，为了消除非线性产生的交调分量，需要对各采样点的信号信息进行处理，通过数字信号处理电路中的处理芯片将各采样信号的信息通过与其内部的算法相结合，获得最佳的控制各环路幅度和相位的控制电压参数，通过不断的调整抵消环中的幅度和相位，从而使得功放的线性指标达到要求。

本实用新型实施例中，上述应用于超短波电台的射频功率放大电路还包括第一模数转换器、第二模数转换器和单片机，第一定向耦合器的耦合端电连接第一模数转换器的输入端，第一模数转换器的输出端电连接单片机的输入端；第二定向耦合器的耦合端电连接第二模数转换器的输入端，第二模数转换器的输出端电连接单片机的输入端。每个模数转换器采AD公司的AD7829，主要完成输入/输出射频信号功率取样电压的模数转换。单片机根据来自每个模数转换器的信号，就可以监测功率放大器工作状态。功率放大器工作状态由一系列模拟信号表征，单片机将这些模拟信号的模数转换结果与设定值进行比较以判断功率放大器目前的工作状态。包适工作电源电压、散热器温度、功放管漏极电压以及输出功率监测等。

本实用新型实施例中，上述应用于超短波电台的射频功率放大电路还包括数模转换器、运算放大器；单片机的输出端在依次电连接数模转换器和运算放大器之后电连接功率放大器的直流偏置电压控制端。上述单片机采用ATMEL公司的单片机ATMEGA128L-8AU。当功率放大器工作在发射状态时，单片机根据定向耦合器检测到的输入/输出射频信号功率大小，MCU将这些模拟信号的模数转换结果与设定值进行比较以判断功率放大器目前的工作状态。通过软件算法，判断功率放大器的工作状态后，输出调整控制数据，通过D/A转换电路和运算放大器后，输出功率放大器直流偏置电压，修正功率放大器的工作状态，从而达到平坦度以及功率增益指标要求。本设计中，输入输出射频信号功率大小是通过两个定向耦合器得到的，每个定向耦合器采用COILCRAFT公司的变压器，该变压器的取样输出电压与射频信号幅度成比例关系，共有四种指示：输出射频信号正向功率(输出信号入射波)，输出射频信号反向功率(输出信号反射波)，输入射频信号正向功率(输入信号入射波)，输入射频信号反向功率(输入信号反射波)。数模转换器采用AD公司的AD8400，主要完成单片机修正功率放大器工作状态后控制数据的数模转换，产生功率放大器的直流偏置电压。

本实用新型中，单片机还可以综合定向耦合器的四路输出电压判定天线的工作状态。其中输入射频信号正向功率，输出射频信号反向功率有一极限值监测，这通过两个电压比较器实现，MCU优先处理其比较结果，以防输入信号过大损坏功率放大器。具体地说，上述应用于超短波电台的射频功率放大电路还包括第一电压比较器和第二电压比较器，第一定向耦合器用于将检测得出的射频信号功率以电压信号的形式发送至第一电压比较器的一个输入端，第一电压比较器的另一个输入端用于接收第一参考信号；第一电压比较器的输出端电连接第一模数转换器的输入端。第二定向耦合器和第二模数转换器之间串接有第二电压比较器，第二定向耦合器用于将检测得出的射频信号功率以电压信号的形式发送至第二电压比较器的一个输入端，第二电压比较器的另一个输入端用于接收第二参考信号；第二电压比较器的输出端电连接第二模数转换器的输入端。

上述应用于超短波电台的射频功率放大电路还包括用于存储多个射频信号频率值以及每个射频信号频率值对应的功率放大器直流偏置电压值的带电可擦可编程只读存储器(EEPROM)，单片机用于读取带电可擦可编程只读存储器内的数据，单片机可以预先获取射频信号的频率值，然后读取带电可擦可编程只读存储器中的数据，这样就可以得到该频率值对应的功率放大器直流偏置电压值，此时将对应的数字信号发送至数模转换器，经数模转换器和运算放大器之后就可以对功率放大器直流偏置电压进行控制。本实用新型中，EEPROM采用ATMEL公司64K I2C CMOS Serial EEPROM的AT24C64CN-SH。

本实用新型实施例中，在第一定向耦合器的输入端设置有输入阻抗匹配网络和输入巴伦，在第二定向耦合器的直通端设置有输出阻抗匹配网络和输出巴伦。功率放大器的增益随频率的上升按一定规律下降。由于工作频带很大，必须对增益滚降采取措施，使低频段增益降低，高频段增益下降减少。一般情况下，功率增益随频率增加近似按6dB倍频程而下降。所以，匹配网络必须提供一个随频率按正斜率变化的增益，以补偿晶体管的滚降，因而使放大器在整个频段内增益尽量平坦。采用平衡结构和增加反馈都可以加宽带宽和减少增益变化。大信号工作条件下，功率放大器的输入、输出阻抗变化很大，宽带匹配愈加困难。在功率放大器设计中，输入和输出阻抗匹配网络基于特定的匹配功能而遵循不同的设计原则。输入阻抗匹配网络主要解决稳定性、增益、增益平坦度、输入驻波等问题。输出阻抗匹配网络主要是谐波抑制，改善驻波比和降低损耗等问题。本实用新型中，采用实频技术方法来综合匹配网络，使用ADS软件仿真优化，设计出合适的宽带匹配网络。实频技术法的最大优势在于它只需要离散频点上的负载阻抗数据就可进行宽带匹配网络的设计。这些数据在实际应用中是较容易测量的，不需要负载模型及负载的解析表达式。也不需要预先假定匹配网络的拓扑结构和传输函数的表达式，大大减少了理论计算的难度。我们只需提供三项数据：各频点的负载阻抗、各频点的预定增益和匹配网络的级数，其余的步骤都可以通过软件完成。实频数据法综合出的具有平坦增益的输入输出匹配网络只是初始值，最终还要通过软件不断优化以得到最好的性能。但在宽带设计中，初始值的确定是非常重要的，否则无法设计出性能优越的宽带放大器。在工程实践当中，发现单纯的改变匹配网络结构，得到的宽带匹配效果远不及传输变压器，所以匹配网络采用传输线用变压器和微带混和电路，在要求的带宽内实现功率的最大传输。在微带混合电路中，电感元件往往采用一段高阻微带线来实现，而电容元件往往采用集总参数的微调电容，这样可以进行适当调整，以满足阻抗匹配的要求和补偿功放管参数变化所产生的影响。

参照图2，为本实用新型的输入/输出阻抗匹配的结构框图。参照图3，为功率放大器匹配网络示意图。输入阻抗匹配网路包括依次连接的不平衡-平衡转换器和4:1传输线变压器，输出阻抗匹配网路包括依次连接的1:4传输线变压器和平衡-不平衡转换器，输入至功率放大器的射频信号通过不平衡-平衡转换器之后，将激励转换为平衡信号，再经4:1传输线变压器(4:1阻抗变换变压器)之后降低阻抗，匹配到功率放大器的输入端。经功率放大后的射频信号再经1:4传输线变压器(1:4的阻抗变换变压器)和平衡转不平衡变压器输出。4:1传输线变压器和1:4传输线变压器分别采用同轴电缆变换器，同轴电缆变换器是由套上铁氧体磁芯的一端同轴电缆或同轴电缆直接绕在铁氧体磁芯上构成的。在低频段它的等效电路可以用传统的低频变换器描述，而在较高频率，它是特性阻抗为特定值的传输线。同轴电缆变换器采用不同绕法，可得不同的阻抗变换。参照图4，为本实用新型实施例的平衡-不平衡转换器的结构示意图。参照图5，为4:1传输线变压器的结构示意图。

本实用新型实施例中，可以通过实现测量来获取输入阻抗、输出阻抗、以及每个射频信号频率值对应的功率放大器直流偏置电压值。参照图6，为本实用新型的功率放大电路的参数测量示意图。在图6中，在对本实用新型的功率放大电路测量时，设置信号发生器、输入阻抗调节器、输出阻抗调节器和功率计，信号发生器用于输出具有各种不同频率值的射频信号，信号发生器的输出端电连接输入阻抗调节器的输入端，输入阻抗调节器的输出端电连接本实用新型的功率放大电路，功率放大电路的输出端电连接输出阻抗调节器，输出阻抗调节器的输出端电连接功率计。首先需要测试本实用新型的功率放大电路输入端和输出端的阻抗，以便在后续设计中进行输入/输出网络的阻抗匹配。测试过程中，调节输入阻抗调节器和输出阻抗调节器，改变输入端和输出端的阻抗值，通过数字功率计直接读取功率值，当显示功率值最大时，固定输入和输出阻抗调节器，即可得到输入阻抗和输出阻抗，注意，只有通过仔细耐心的多次重复调节才能获得一个最大的功率值。当知道输入阻抗和输出阻抗，就可以设计功率放大电路输入和输出匹配网络。放大器匹配网络设计完毕后，对于每种频率值的射频信号，固定射频输入信号功率，通过调节功率放大器直流偏置电压，使工作频段范围内功率增益范围控制在±0.5dB。测量过程中，根据工作频率范围，设计一定的频率间隔，调节偏置电压，使功率输出满足性能指标要求，记录与该频率值对应的功率放大器直流偏置电压，以便在后续过程中应用。

在EEPROM中，数据区定义和划分如下：

小功率偏压参数(AGS)

地址：0——145(十进制)

数据：8位二进制码

定义：30MHz——87.975MHz，400KHz间隔一个编码，它(AGS)与送入功放电路的直流偏置电压Vags构成如下关系式：

((AGS/256)*0.8+0.4)*Au＝Vags

其中，AGS代表对应频点下的编码十进制数，Au代表放大器增益倍数(D/A选用AD8400，转换上下限电压为0.4V——1.2V，Au选为4)，对应的Vags代表调整功放达到额定小功率(5W)的偏置电压。

大功率偏压参数(AGS)

地址：146——291(十进制)

数据：8位二进制码

定义：30MHz——87.975MHz，400KHz间隔一个编码，它(AGS)与送入功放模块的偏置电压Vags构成如下关系式：

((AGS/256)*0.8+0.4)*Au＝Vags

其中，AGS代表该频点下的编码十进制数，Au代表放大器增益倍数(D/A选用AD8400，转换上下限电压为0.4V——1.2V，Au选为4)，对应的Vags代表调整功放达到额定大功率(30W)的偏置电压。

AGS调整限定值

地址：292(十进制)

数据：8位二进制码

定义：为达到标称大功率值则调整AGS，但调整不能大于该值，该值对应的消耗在功率放大器上的理论功率初定为45W。

本实用新型实施例中，EEPROM用于存储放大器增益曲线测量得到的频率和偏置电压信息，地址对应频率信息，数据对应偏置电压信息；单片机(也可以用FPGA代替)主要提供软件运行的硬件平台，完成数据调取、算法运行、控制等，为简化设计，该电路也可共用超短波电台中的处理芯片，只要预留相关接口即可；数模转换器主要完成单片机或FPGA控制数据的数/模转换，转换后的模拟电压作为功放管的偏置电压，控制功放管的输出功率，模数转换器主要完成功率放大器取样状态的模/数转换，转换后的数字信息送至单片机进行处理，完成功率放大器工作状态的判决。

参照图7，为本实用新型的第一外部结构示意图。参照图8，为本实用新型的第二外部结构示意图。本实用新型可用于恒包络调制模式下或线性度要求在22dB左右的射频功率放大器设计。举例来说，本实用新型的功率放大电路可以满足如下指标要求：

1)输入功率：小功率0.5W；大功率5W；

2)输出功率：小功率5W±1.0dB；大功率30W±1.0dB；

3)工作频带：30MHz～90MHz；

4)输出功率1dB压缩点：≥50dBm；

5)增益平坦度：±0.8dB；

6)VSWR(in)：2：1；

7)谐波输出：偶次谐波≤-30dBc；奇次谐波≤-12dBc；

8)杂波输出：≤-60dBc；

9)IMD3：-28dBc；

10)电源电压：+24V；

11)直流功耗：≤150W；

12)结构尺寸：120mm×80mm×18mm(长×宽×高)。

本实用新型实施例中，还设置有辅助电路，辅助电路主要包括温度检测模块和过流检测模块等，辅助电路主要检测功放工作状态，反馈信息至单片机，由单片机判决后，送出控制信息。温度检测模块主要通过检测功率放大器工作时的温度，将温度信息转换为电压信息，为功率放大器的直流偏置电压提供温度补偿。过流检测模块主要是检测功率放大器的工作电流，当功率放大器工作电流超出安全范围时，过流检测模块将切断功率放大器的电源供应。因此本功率放大器在设计时充分考虑了如何保护功率放大器，以避免静电、浪涌、过热过温、过压、过流、过载造成功放故障或者失效。

下面对温度检测模块和过流检测模块作具体说明，过流检测模块通过检流电阻检测功率放大器工作时的电流，通过比较器，为功率放大器提供功率的过流保护。当功放工作电流超出安全范围时，过流保护电路将切断功率放大器的电源供应。温度检测模块，可以检测功率放大器工作时的温度，并将温度信息转换为电压信息，为功率放大器的直流偏置电压提供温度补偿。同时该电压信息还将送往单片机。单片机以此电压信息为依据，确定是否进行过热保护。本使用新型中温度检测模块采用AD公司的AD590，该温度传感器为一电流源，不同温度下输出的电流不同。在+25℃下AD590输出电流为298.2uA，温度每增加1℃，输出电流增加1uA，反之则减小1uA。AD590输出电流经电阻产生与温度成比例的电压，经电压跟随电路输出与温度成比例的电压。该电压送往单片机进行处理。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种应用于超短波电台的射频功率放大电路，其特征在于，包括：第一定向耦合器、第二定向耦合器、功率放大器、第一模数转换器、第二模数转换器、单片机、数模转换器、运算放大器，所述第一定向耦合器用于接收射频信号，所述第一定向耦合器的直通端电连接功率放大器的输入端，所述第一定向耦合器用于检测接收的射频信号功率，并用于将检测得出的射频信号功率以电压信号的形式发送至第一模数转换器的输入端；所述第一模数转换器的输出端电连接单片机的输入端；所述功率放大器的输出端电连接第二定向耦合器的输入端，所述第二定向耦合器的直通端用于输出经功率放大后的射频信号，所述第二定向耦合器用于检测接收的射频信号功率，并用于将检测得出的射频信号功率以电压信号的形式发送至第二模数转换器的输入端；所述第二模数转换器的输出端电连接单片机的输入端；所述单片机的输出端在依次电连接数模转换器和运算放大器之后电连接功率放大器的直流偏置电压控制端。

2.如权利要求1所述的一种应用于超短波电台的射频功率放大电路，其特征在于，还包括用于存储多个射频信号频率值以及每个射频信号频率值对应的功率放大器直流偏置电压值的带电可擦可编程只读存储器，所述单片机用于读取带电可擦可编程只读存储器内的数据。

3.如权利要求1所述的一种应用于超短波电台的射频功率放大电路，其特征在于，所述功率放大器为AB类放大器。

4.如权利要求1所述的一种应用于超短波电台的射频功率放大电路，其特征在于，所述单片机的型号为ATMEGA128L-8AU，所述每个模数转换器的型号为AD7829，所述数模转换器的型号为AD8400。

5.如权利要求1所述的一种应用于超短波电台的射频功率放大电路，其特征在于，所述第一定向耦合器和第一模数转换器之间串接有第一电压比较器，所述第一定向耦合器用于将检测得出的射频信号功率以电压信号的形式发送至第一电压比较器的一个输入端，所述第一电压比较器的另一个输入端用于接收第一参考信号；所述第一电压比较器的输出端电连接第一模数转换器的输入端；

所述第二定向耦合器和第二模数转换器之间串接有第二电压比较器，所述第二定向耦合器用于将检测得出的射频信号功率以电压信号的形式发送至第二电压比较器的一个输入端，所述第二电压比较器的另一个输入端用于接收第二参考信号；所述第二电压比较器的输出端电连接第二模数转换器的输入端。