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射频功率放大器在无线通信、雷达、移动通信、卫星通信、导航等系统中,应用很广泛。功率放大器的输出功率确定了通信距离的长短,它的效率确定了耗电和发热的数值。可以使用S参数设计小信号放大器,但是大信号条件下,就要使用大信号输入/输出参数进行设计。这些参数是指定频率且特定的偏置电压和输出功率条件下的输入阻抗和输出阻抗。工作频带宽时设计宽带射频功率放大器。线性度和效率都需要综合考虑,宽带射频放大电路比窄带复杂。
功率放大器在发射机系统中是工作在大信号状态下,静态工作点设在1dB压缩点附近。这样容易产生非线性产物如:谐波失真、互调失真、三阶交调失真。当输入多载波的信号,三阶互调失真对系统传输信号影响最大。功放线性化技术,常见的主要是功率回退法、预失真法、负反馈法和前馈法。
本课题的功放用于超短波电台的发射机系统中,要求工作在宽频带。由于电台本身的供电很充足,而且功放的整体结构在散热方面做得很好,所以功放的效率要求不是太高。对于输出功率的平坦度,因为输入信号的频段是在快速跳变中,如果带内平坦度不好,会造成放大的信号随着增益频率的不同会有所不同,对于开通了跳频的信号,经放大后可能会产生信号波动更加大,影响到通话质量,还容易造成功放的损毁。
本文设计了一个工作频带为30-90MHz,增益为20dB的宽带射频功率放大器。该功放的工作频带较宽,达到60MHz,线性度要求高。在单个器件输出功率有限的情况下,想要提高系统输出功率,使用推挽结构的功率合成是一种有效的方法。所以本文选取了推挽式功率放大器,并且使用了宽带匹配,负反馈,功率回退等技术来研制输出功率为5W以上的线性功率放大器。这个线性功放可以作为高功率线性功放的前级驱动,用来推动末级功放。
在理论上,功放的线性度和功放的效率是一对矛盾的指标;在宽带放大电路的设计中,一般通过降低功率的增益换取宽频带的功率增益平坦度。大信号输入情况下,高频段和低频段的匹配要在宽频带内实现好是很不易的。
本论文首先介绍功率放大器的基本理论,主要技术指标。对功放的非线性特性和非线性失真产生的原因进行分析和讨论。在这个基础上介绍几种常用的线性化技术。然后根据本课题的功放的技术指标提出一种合适的设计方案。在匹配网络的设计中采用传输线变压器进行阻抗变换。利用ADS软件对设计方案进行仿真,得出的仿真结果对硬件电路的设计提供了指导。功放组装完成后进行电路调试,得到测试数据。可知所研制的功率放大器的各项指标达到了预定目标。与此同时还对电路设计的不足和调试中出现的问题进行分析。