CN2293156Y

CN2293156Y - 调频发射机射频固态功率放大器

Info

Publication number: CN2293156Y
Application number: CN 96231358
Authority: CN
Inventors: 钱柏良
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1996-02-28
Publication date: 1998-09-30
Anticipated expiration: 2006-02-28

Abstract

本实用新型属于FM广播、通讯、TV、雷达及其类似设备的FM发射机中昂贵的射频宽带固态功率放大器。阐述采用小型FM小功率模块、RF功率推挽放大和二路RF高功率合成技术设计改进的仅一个独立结构部件的10W、30W、50W系列FM小功放部件电路、100W/300W量级FM中功放链部件电路,仅二个独立结构部件的500W量级FM高功放链部件电路。其兼容双环自动电平控制、高驻波保护和“不间断”工作数控电路。

Description

调频发射机射频固态功率放大器

本实用新型涉及改进的调频(FM)广播发射机小、中、高功率(10W～500W量级)射频(RF)固态功率放大器。其属于FM广播、通讯、TV、雷达及其类似设备的FM发射机中昂贵的RF固态功率放大器。

以往国产调频发射机RF固态功率放大器的技术状况为：

以往国产10W/30W/50W量级系列FM小功放用分立元件制作。因不同功率电平电路的内部放大级数各不相同，故使用的电路、分立元件和印制电路板必然也各不相同，导致其品种规格多、不便生产调试和维修。例如LTP-10W/30W/50W-I型FM广播发射机。

以往国产100W量级FM中功放链包括两个独立结构部件：一个是用分立元件制作的前置激励FM小功放；另一个是100W量级FM中功放末级电路。该末级电路通常采用两个RF功率晶体管并联组态形式，因而电路效率低、输出谐波电平高。例如，LTP-100W-I型FM广播发射机。

以往国产300W量级FM中功放末级电路采用四路RF功率合成技术：由一个RF功率四分配器、四路100W量级功率合成支路功放和一个四路RF功率合成器，共六个独立结构部件共同组成。连同作为其激励电路的两个独立结构部件一起，则以往技术的300W量级FM中功放链的独立结构部件数为八个。例如，LTP-300W-I型FM广播发射机。

以往国产500W量级FM高功放末级/高功放链电路，情况与上述300W量级FM中功放末级/中功放链电路相同，所需独立结构部件分别为六个/八个。例如，LTP-500W-I型广播发射机。

显见，以往国产FM中、高功放末级/中、高功放链电路不但独立结构部件多、结构复杂、体积庞大，生产调试和维修困难，可靠性差、造价也高，而且电路效率低、输出谐波电平高。

本实用新型第一个目的是采用“FM小功率模块”制作仅一种规格的单个独立结构部件，改进的小型化10W/30W/50W量级系列FM小功放。

本实用新型的第二个目的是使用FM小功率模块和两管RF功率推挽放大技术，制作改进的只有一个独立结构部件的100W/300W量级FM中功放链电路。

本实用新型的第三个目的是用二路RF高功率合成技术制作改进的仅一个独立结构部件的500W量级FM高功放末级电路，以及仅两个独立结构部件的500W量级FM高功放链电路。

从而本实用新型克服了以往技术10W～500W量级FM射频固态功率放大器如前所述的那些缺点。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种调频发射机射频固态功率放大器：

10W/30W/50W量级系列小功放包括：低电平RF放大器、小功率放大级、滤波器和检测器。其小功率放大级采用调频小功率模块制作，对于不同输出功率电平的该系列小功放仅需更换具有相同外形结构和外部连接引端的相应输出功率电平的调频小功率模块，因而该系列小功放构造成仅一种规格的单个独立结构部件；在该调频小功率模块级前加接进一步起稳定电路作用的衰减器。所述衰减器的输入端连结低电平射频放大器的输出端；该衰减器的输出端连结调频小功率模块级的输入端；小功率模块级的输出端连结滤波器的输入端；滤波器的输出端连结检测器的输入端。

100W/300W量级中功放链电路包括：低电平射频放大器、小功率放大级、中功放末级。由于其小功率放大级采用小型化的调频小功率模块制作，故该中功放链电路构造成一个独立结构部件；在所述小功率模块级前加接有进一步稳定电路作用的衰减器；中功放末级电路为二管RF功率推挽电路。所述衰减器的输入端连结低电平射频放大器的输出端；该衰减器的输出端连结调频小功率模块级的输入端；小功率模块级的输出端直接连结采用二管RF功率推挽电路的中功放末级电路。

500W量级高功放末级电路包括：功率分配器、合成支路功放、功率合成器。该500W量级高功放末级电路构造成一个独立结构部件；其功率分配器为平面型微带功率二分配器；合成支路功放采用二路300W量级二管射频功率推挽电路；功率合成器为平面型二路微带功率合成器；在所述合成支路功放和微带功率合成器之间接有包含正向功率电平检测电路的检测器。所述微带功率二分配器的二个输出端分别连结合成支路功放的二个输入端；该合成支路功放的二个输出端分别连结包含正向功率电平检测电路的检测器的两个输入端；该检测器的二个输出端分别连结二路微带功率合成器的两个输入端。

由于采用了上述方案，本实用新型的主要优点是：

改进过的10W/30W/50WFM小功放具有制作电路简单、系列部件结构规格单一、稳定性好、生产调试和维修都很简单的优点；

改进过的100W、300W、500W量级中、高功放链具有独立结构部件大为减少、生产调试和维修都大为简便、工作可靠性提高而造价低、电路效率高而输出谐波电平低的优点；又因均具有双正向功率电平电压输出，故本实用新型还可兼容中国发明专利CN89105437.5所述双环自动自动电平控制、高驻波保护和ZL91108227.1所述的“不间断工作数控电路”。

本实用新型附图及附图简要说明如下：

图1是采用FM小功率模块制作的，10W/30W/50W量级系列FM小功放单个结构部件电路的原理框图(下部)和具体实施例电路(上部)；

图2是采用FM小功率模块和二管RF功率推挽放大技术制作的单个独立结构部件的FM100W/300W量级中功放链电路的原理框图。

图3是所述FM100W/300W量级二管RF功率推挽末级功放电路的原理框图(下部)和具体实施例电路之一(上部)。

图4是采用二路RF高功率合成技术制作的，仅一个独立结构部件的500W量级FM高功放末级部件电路的原理框图(下部)和具体实施例电路图(上部)。

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步阐述：一、图1下部示出的10W/30W/50WFM小功放原理框图由“低电平RF放大器”1a、“衰减器”1b、“FM小功率模块级”1c、“滤波器”1d和“检测器”1e组成。I₁是1a的输入端；1a的输出端连接1b的输入端；1b的输出端连接1c的输入端；1c的输出端O₁连接1d的输入端(I₂)；1d的输出端连接1e的输入端；1e的输出端O₂供连接负载用。由于制作10W/30W/50W量级不同功率电平的FM小功放仅需更换相同外形结构和外部连接引端的小型化10W/30W/50W量级的FM小功率模块，因而得到了仅一种规格的单个独立部件、改进的小型化10W/30W/50W量级系列FM小功放。

图1上部示出了10W/30W/50W量级FM小功放的具体实施电路例，其包括：CE-CB组态放大器(1a)、π型电阻衰减器(1b)、FM小功率模块级(1c)、低通或带通滤波器(1d)、检测器(1e)。

CE-CB组态放大器包括：由耦合电容C₁、C₂、输入匹配电阻R₁组成的输入耦合匹配电路，接成CE-CB组态的RF晶体管BG₁、BG₂，基极偏置电阻R₂、R₃、R₄，去耦滤波电容C₃、C₄，BG₁射极负馈电阻R₅，防寄振电容C₅，构成BG₂集极谐振回路的电感L₁和电容C₆，级间耦合电容C₇。

π型电阻衰减网络包括：电阻R₆、R₇、R₈；

FM小功率模块级包括：一个具有输入端in、输出端out、二个直流供电输入端+V_cca和+V_ccb的小型化FM小功率模块IC，直流供电电源+V_cc，去耦滤波电感L2、L3、L4和电容C₈、C₉、C₁₀、C₁₁阻抗50Ω量级的微带传输线；检测器包括：(1).传输正向功率信号的微带传输线l_o；(2).由耦合线l₁、电阻R₉、检波二极管D₁、电感L₅、电容C₁₂和C₁₃组成，提供正向功率电平检测电压V_ALC1的检测电路；(3).由耦合线l₂、电阻R₁₀、检波二极管D₂、电感L₆、电容C₁₆和C₁₇组成的，提供正向功率电平检测电压V_ALC2的检测电路；(4).由耦合线l₃、电阻R₁₃、二极管D₃、电感L₇、电容C₁₄和C₁₅组成的，提供反向功率电平检测电压V_R的检测电路；(5)由耦合线l₄、电阻R₁₂组成的，提供FM测试信号电压Vt的耦合电路。

输入端I₁连接CE-CB组态放大器输入耦合电容C₁的输入端；CE-CB组态放大器的输出端——BG₂的集极通过耦合电容C₇连接π型电阻衰减网络的输入端——R₆、R₇的公共接点；π型电阻衰减网络的输出端——R₇、R₈的公共接点连接FM小功率模块级的输入端in，FM小功率模块级的输出端out经50Ω量级微带传输线连接滤波器1d的输入端；滤波器的输出端连接检测器的输入端——微带传输线l₀的输入端；检测器的输出端——微带传输线l₀的输出端O₂供连接负载用0检测器的l₀和l₁、l₀和l₂、l₀和l₃以及l₀和l₄间的耦合分别形成V_ALC1、V_ALC2、V_R检测电路以及Vt耦合电路的信号输入口，电压V_ALC1、V_ALC2、V_R以及Vt分别在输出端口V_ALC1、V_ALC2、V_R以及Vt引出。

该电路的工作原理为：低电平RF信号输入I₁，经完成输入阻抗匹配、缓冲放大的低电平RF放大器放大后，再经起阻抗匹配、衰减缓冲、稳定电路连接作用的π型电阻衰减网络后输入小型化FM小功率模块级进行功率放大，再由低通或带通滤波器滤除无用信号频率成份后通过检测器的正向功率传输线l₀，在l₀的输出端O₂输出10W/30W/50W量级系列小功率信号。同时检测器内的耦合线l₁、l₂、l₃分别耦合小量正向功率信号并经检波滤波后在V_ALC1、V_ALC2、V_R输出端口分别输出二个正向功率电平检测电压V_ALC1、V_ALC2及一个反向功率电平检测电压V_R，以供诸如CN89105437.5号发明专利所述的双环自动电平控制电路和高驻波保护电路备用，检测器内的耦合线l₄耦合供测试用的小量正向功率信号在输出端口Vt引出。

由于采用FM小功率模块IC制作10W/30W/50W量级系列FM小功放，故获取不同输出功率电平时仅需对应采用具有单一外形结构及相同引端位置、输出功率电平不同的小型化FM小功率模块(IC)，其它电路元件，印制板和具体结构都相同。改进后的小型化FM小功放具有电路简单、稳定性好、系列部件结构规格单一，生产调试和维修都很简单的优点。

二、图2是采用FM小功率模块和二管RF功率推挽放大技术制作的，单个独立结构部件的FM100W/300W量级中功放链的原理框图。其中1a～1c同图1相同框图和电路。2d是FM100W/300W量级“二管RF功率推挽末级功放”，具体电路例将详述于后。

该FM100W/300W量级中功放链的工作原理为：低电平RF信号输入I₁，经完成输入阻抗匹配、缓冲放大的1a放大；再经起阻抗匹配、衰减缓冲、稳定电路连接作用的1b后输入小型化1C的输入端，经1C功率放大后直接进入2d的输入端口，再由2d进行二管RF功率推挽放大后于2d的输出出端O₃输出FM100W/300W量级的RF功率信号。

由于FM小功率模块IC的小型化，故将上述1a、1b、1c、2d的这些电路可直接组合在一块印制电路板上，制成了只有一个独立结构部件的100W/300W量级FM中功放链电路部件。

以往技术需二个独立结构部件的100量级FM中功放链，以及需八个独立结构部件的300W量级FM中功放链，本实用新型均改进为一个独立结构部件。显见，改进过的100W，尤其300W量级FM中功放链具有独立结构部件少，生产调试和维修都大为简便，造价低而工作可靠性大为提高；同时由于RF功率推挽放大技术的采用还具有电路效率高、输出谐波电平低等优点。

三、图3示出了FM100W/300W量级“二管RF功率推挽末级功放”(2d)具体实施例之一的电原理框图(下部)。其主要由“输入半硬同轴不平衡——平衡阻抗变换器”3a、“输入4∶1对称半硬同轴阻抗变换器”3b、“微带电感和集总电容变阻滤波器”3c、“RF功率推挽晶体管放大级”3d“输出微带电感和集总电容变阻滤波器”3e、“输出1∶4对称半硬同轴阻抗变换器”3f和“输出半硬同轴平衡——不平衡阻抗变换器”3g组成。I₃是3a的输入端口，3a的两个输出端口分别连接3b的两个输入端口；3b的两个输出端口分别连接3c的两个输入端口；3c的两个输出端口分别连接3d的两个输入端口；3d的两个输出端口分别连接3e的两个输入端口；3e的两个输出端口分别连接3f的两个输入端口；3f的两个输出端口分别连接3g的两个输入端口；3g的输出端口O₃供连接负载用。

2d的具体实施例之一的具体电路示于图3上部。3a由50Ω半硬同轴电缆、二个微带传输线和耦合电容C₁₈、C₁₉、C₂₀组成；3b由二根25Ω半硬同轴电缆和接地RF抗流圈L8组成；3c由微带电感L₉、L₁₀、L₁₁L₁₂和集总电容C₂₁、C₂₂、C₂₃、C₂₄组成；3d由基极电阻R₁₄、R₁₅，RF大功率半导体晶体管BG₁、BG₂，以及集极供电滤波去耦电感L₁₃、L₁₄和去耦旁路电容C₂₅组成；3e由微带电感L₁₅、L₁₆、L₁₇、L₁₈和和集总电容C₂₆组成；3f由两根25Ω半硬同轴电缆、高频旁路电容C₂₇以及耦合电容C₂₈、C₃₀组成；3g由耦合电容C₂₉、一根50Ω半硬同轴电缆和二个微带传输线组成。I₃是3a的输入引端，3a的两个输出引端——50Ω半电缆的内、外导体终端分别连结3b的两个输入引端——G₁₉、C₂₀的两个输入引端；3b的两个输出引端——上、下二根25Ω电缆的内导体终端分别连结3c的两个输入引端——L₉、L₁₀的两个输入引端；3c的两个输出引端——分别连结3d的BG₁、BG₂的基极；3d的二个输出引端——BG₁、BG₂的集极分别连结3e的两个输入引端——L₁₅、L₁₆的输入引端；3e的两个输出引端——L₁₇、L₁₈分别连结3f的两个输入引端——上、下二根25Ω电缆的内导体始端；3f的两个输出引端——C₂₈、C₂₉的输出引端分别连结3g的两个输入引端——50Ω电缆内、外导体的始端；3g的输出引端O₃供连结负载用。本电路的工作原理为：来自前置激励放大器的不平衡激励功率信号由I₃输入，经3a平衡阻抗变换、再经3b的4∶1对称阻抗变换、3c的变阻滤波后输入3d进行RF功率推挽放大，放大后的FM功率信号经3e输出变阻滤波、3f输出1∶4阻抗变换，再经3g输出平衡——不平阻抗变换后在输出端O₃输出。

该电路由于采用了二管RF大功率晶体管推挽高功率放大电路，故提高了电路效率，并降低了输出谐波电平。

所述2d的另一个具体实施例可是“采用RF大功率MOS场效应管的二管RF高功率推挽放大器”，诸如类似：MOTOROLA RF DEVICE DATA·1988年，P.P.2-395～2-396、P.P.2-407～2-408所示的那种电路。需要说明的是若二路300W量级合成支路功放均采用RF功率场效应管的二管RF功率推挽放大器，则激励功率电平可较大减低，但其在生产调试或维修时因静电感应等引起昂贵的RF大功率MOS场效应管的损坏必须引起足够的重视。

四、图4上部示出了采用二路RF同相高功率合成技术制作的，仅一个独立结构部件的500W量级FM高功放末级部件电路的具体实施电路例(上部)。其包括：(1).由微带线I_a、I_b、I_c及电阻R₁₆组成的“微带同相功率二分配器”4a；(2)包含如前述2d那样相同的二路300W量级“合成支路功放”4b；(3).包含V_F1、V_F2二个正向功率电平电压检测电路的“检测器”4C；其中V_F1的检测电路由耦合线l₅、电阻R₁₈、检波二极管D4、以及电感L₁₉、电容C₃₁、C₃₂组成的π型低通滤波器组成；V_F2的检测电路由耦合线l₆、电阻R₁₉、检波二极管D₅、电感L₂₀、电容C₃₃、C₃₄组成的π型低通滤波器组成；(4).由微带传输线l’_a、l’_b、l’_c及电阻R₁₇组成的“二路微带同相功率合成器”4d.该500W量级FM高功放末级部件电路的输入端I₄连接4a中I_a的输入端；4a的一个输出端——l_b的输出端连接4b中上部300W量级合成支路功放的输入端，4a的另一个输出端——l_c的输出端连接下部300W量级合成支路功放的输入端；上部300W量级合成支路功放的输出端连接上部检测电路的输入端，下部300W量级合成支路功放的输出端连接下部检测电路的输入端；上部检测电路的输出端连接4d的另一个输入端——I’_b的输入端；下部检测电路的输出端连接4d的另一个输入端——I’_c的输入端；4d的输出端——l’，的输出端即为该500W量级FM高功放末级部件电路的输出部O₄。上部/下部检测电路的能量耦合分别由耦合线l₅和l₆完成。

所述图4所示电路的工作原理为：RF激励功率信号输入I₄输入端，由4a得到的二路平衡的功率信号分别输入4b中的二路300W量级合成支路功放放大，放大后所得的两路300W量级功率信号分别通过4c中的正向功率传输线，到达4d的二个平衡输入端，经4d高功率合成后的500W量级的FM高功率信号于输出端口O₄输出。检测器4C输出的二个正向功率电平检测电压在V_F1、V_F2端口引出。

本实用新型改进后的500W量级末级功放电路将以往技术需要的六个独立结构部件降到了一个独立结构部件。

将前述改进过的单个独立结构部件100W量级中功放链的输出引端O₃连接图4上部所示电路的输入端I₄，便得到了仅两个独立结构部件的宽带FM500W量级高功放链。

以往技术需8个独立结构部件的500W量级FM高功放链经本实用新型进后，仅需2个独立结构部件。

显见，本实用新型改进后的电路具有独立结构部件少，生产调试和维修大为简便，造价低而工作可靠性大大提高的优点；同样由于RF功率推挽放大技术的采用还具有电路效率高，输出谐波电平低的优点；且兼容双环自动电平控制、高驻波保护和“不间断”工作数控电路。

Claims

1.一种调频发射机射频固态功率放大器：

10W/30W/50W量级系列小功放包括：低电平射频放大器、小功率放大级、滤波器和检测器。100W/300W量级中功放链电路包括：低电平射频放大器、小功率放大级、中功放末级；500W量级高功放末级电路包括：功率分配器、合成支路功放、功率合成器；

其特征在于：

该10W/30W/50W量级系列小功放的小功率放大级采用调频小功率模块制作，对于不同输出功率电平的该系列小功放仅需更换具有相同外形结构和外部连接引端的相应输出功率电平的调频小功率模块；因而该系列小功放构造成仅一种规格的单个独立结构部件；在该调频小功率模块级前加接进一步起稳定电路作用的衰减器；所述衰减器(1b)的输入端连结低电平射频放大器(1a)的输出端；该衰减器(1b)的输出端连结调频小功率模块级(1c)的输入端；小功率模块级(1c)的输出端连结滤波器(1d)的输入端；滤波器(1d)的输出端连结检测器(1e)的输入端；

该100W/300W量级中功放链电路的小功率放大级采用小型化的调频小功率模块制作；该中功放链电路构造成一个独立结构部件；在所述小功率模块级前加接有进一步稳定电路作用的衰减器；中功放末级电路为二管射频功率推挽电路。所述衰减器(1b)的输入端连结低电平射频放大器(1a)的输出端；该衰减器1(b)的输出端连结调频小功率模块级(1c)的输入端；小功率模块级(1c)的输出端直接连结采用二管射频功率推挽电路的中功放末级电路(2d)；

该500W量级高功放末级电路构造成一个独立结构部件；其功率分配器为平面型微带功率二分配器；合成支路功放采用二路300W量级二管射频功率推挽电路；功率合成器为平面型二路微带功率合成器；在所述合成支路功放和微带功率合成器之间接有包含正向功率电平检测电路的检测器；所述微带功率二分配器(4a)的二个输出端分别连结合成支路功放(4b)的二个输入端；该合成支路功放(4b)的两个输出端结连包含正向功率电平检测电路的检测器(4c)的二个输入端；该检测器(4c)的二个输出端分别连结二路微带功率合成器(4d)的两个输入端。

2.根据权利要求1所述的调频发射机射频固态功率放大器：其特征在于小功率模块级(1c)前的衰减器(1b)可省去，低电平射频放大器(1a)的输出端直接连结小功率模块级(1c)的输入端；当输入激励信号功率较大时，低电平射频放大器(1a)可省去。

3.根据权利要求1所述的调频发射机射频固态功率放大器：其特征在于500W量级高功率末级电路中的检测器(4c)可以省去，所述合成支路功放(4b)的两个输入端直接结连二路微带功率合成器(4d)的两个输入引端。