基于MR373芯片及平衡放大電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電視功率放大器的設(shè)計(jì)

功率放大器是數(shù)字電視發(fā)射機(jī)中的重要組成部分。通常情況下，數(shù)字電視發(fā)射機(jī)中的信號(hào)經(jīng)ＣＯＦＤＭ方式調(diào)制后輸出中頻模擬信號(hào)，通過(guò)上變頻送入放大部分。該調(diào)制方式包括ＩＦＦＴ（８Ｍ）和ＩＦＦＴ（２Ｍ）兩種模式，分別由６８１７和１７０５個(gè)載波組成。每個(gè)載波之間的頻率間隔非常近，所以交調(diào)信號(hào)很容易落在頻帶內(nèi)，引起交調(diào)失真。數(shù)字電視的發(fā)射機(jī)較傳統(tǒng)類(lèi)型，在線性度、穩(wěn)定性等方面有著更高的要求。對(duì)發(fā)射機(jī)中的功率放大器要求必須工作在較高的線性狀態(tài)下，增益穩(wěn)定。

發(fā)射系統(tǒng)的放大部分分為激勵(lì)和主放大電路。其中激勵(lì)部分為寬帶功率放大器，為確保地面數(shù)字電視傳輸?shù)恼７€(wěn)定，需要具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，其工作頻段在４７０ＭＨｚ～８６０ＭＨｚ，工作狀態(tài)為ＡＢ類(lèi)；要求增益大于１０ｄＢ，交調(diào)抑制小于－３５ｄＢ，噪聲功率密度大于１３０ｄＢｃ／Ｈｚ。本文采用最新的ＬＤＭＯＳ ＦＥＴ器件，及平衡放大電路結(jié)構(gòu)熏設(shè)計(jì)數(shù)字電視發(fā)射機(jī)中的驅(qū)動(dòng)級(jí)功率放大器，經(jīng)過(guò)優(yōu)化和調(diào)試，滿足系統(tǒng)要求。

１ 功率放大器設(shè)計(jì)

１．１功率放大器的放大芯片選型

本文采用摩托羅拉ＬＤＭＯＳ ＦＥＴ器件ＭＲＦ３７３作為功放的放大芯片。該芯片在線性、增益和輸出能力上相對(duì)于ＢＪＴ器件有較大的提升，使發(fā)射機(jī)的可靠性和可維護(hù)性大大提高。與傳統(tǒng)的分米波雙極型功放管相比，ＬＤＭＯＳ ＦＥＴ具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

·可以在高駐波比（ＶＳＷＲ＝１０：１）情況下工作；

·增益高（典型值１３ｄＢ）；

·飽和曲線平滑，有利于模擬和數(shù)字電視射頻信號(hào)放大；

·可以承受大的過(guò)驅(qū)動(dòng)功率，特別適用于ＤＶＢ－Ｔ中ＣＯＦＤＭ調(diào)制的多載波信號(hào)；

·偏置電路簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的帶正溫度補(bǔ)償?shù)挠性吹妥杩蛊秒娐贰?/p>

ＬＤＭＯＳ制造工藝結(jié)合了ＢＰＴ和砷化鎵工藝。與標(biāo)準(zhǔn)ＭＯＳ工藝不同的是，在器件封裝上，ＬＤＭＯＳ沒(méi)有采用ＢｅＯ氧化鈹隔離層，而是直接硬接在襯底上，導(dǎo)熱性能得到改善，提高了器件的耐高溫性，大大延長(zhǎng)了器件壽命。由于ＬＤＭＯＳ管的負(fù)溫效應(yīng)，其漏電流在受熱時(shí)自動(dòng)均流，而不會(huì)象雙極型管的正溫度效應(yīng)在收集極電流局部形成熱點(diǎn)，從而管子不易損壞。所以ＬＤＭＯＳ管大大加強(qiáng)了負(fù)載失配和過(guò)激勵(lì)的承受能力。同樣由于ＬＤＭＯＳ管的自動(dòng)均流作用，其輸入－輸出特性曲線在１ｄＢ壓縮點(diǎn)（大信號(hào)運(yùn)用的飽和區(qū)段）下彎較緩，所以動(dòng)態(tài)范圍變寬，有利于模擬和數(shù)字電視射頻信號(hào)放大。ＬＤＭＯＳ在小信號(hào)放大時(shí)近似線性，幾乎沒(méi)有交調(diào)失真，很大程度簡(jiǎn)化了校正電路。ＭＯＳ器件的直流柵極電流幾乎為零，偏置電路簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的帶正溫度補(bǔ)償?shù)挠性吹妥杩蛊秒娐贰?/p>

１．２ 電路結(jié)構(gòu)選擇及比較

小信號(hào)Ｓ參數(shù)可以用于甲類(lèi)放大器的設(shè)計(jì)，也就是要求信號(hào)的放大基本限制在晶體管的線性區(qū)域。然而，涉及到大功率放大器時(shí)，由于放大器工作在非線性區(qū)，所以小信號(hào)通常近似無(wú)效。此時(shí)必須求得晶體管的大信號(hào)Ｓ參數(shù)或阻抗，以得到合理的設(shè)計(jì)效果。

一般說(shuō)來(lái)，甲類(lèi)工作狀態(tài)失真系數(shù)最小，具有良好的線性度。但是在大功率應(yīng)用情況下，由于甲類(lèi)工作狀態(tài)的效率低（５０％）而不適用。采用甲乙類(lèi)推挽放大器的電路形式，可以得到與甲類(lèi)放大器相近的線性指標(biāo)。

推挽電路形式由兩個(gè)獨(dú)立且無(wú)任何內(nèi)部連接的單管放大器構(gòu)成，通過(guò)兩個(gè)巴倫進(jìn)行功率的矢量分配與合成。由于巴倫本身具有變阻的特點(diǎn)，因此大大降低了變阻比帶來(lái)的阻抗匹配的困難，且巴倫對(duì)于偶次諧波具有很好的抑制作用。但是由于巴倫兩邊間隔過(guò)小，兩路相互影響較大，所以應(yīng)用巴倫結(jié)構(gòu)的放大器穩(wěn)定性較差，且該電路的輸入和輸出駐波比較差。

本文采用平衡放大器的形式，結(jié)構(gòu)如圖１所示。其工作原理與巴倫結(jié)構(gòu)的電路相似，但是由于３ｄＢ電橋的應(yīng)用，使得兩路射頻信號(hào)之間隔離較好，有利于兩個(gè)端口的匹配。相對(duì)于單管放大器結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)如表１。

１．３ 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

由于ＭＲＦ３７３沒(méi)有提供內(nèi)匹配，所以要在放大電路中構(gòu)建匹配網(wǎng)絡(luò)。數(shù)字電視反射系統(tǒng)中的放大電路工作在４７０ＭＨｚ～８６０ＭＨｚ，需要在寬頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。寬帶放大器匹配電路設(shè)計(jì)的基本思想是：在放大器的輸入輸出及級(jí)間都采用電抗匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多級(jí)阻抗變換。該網(wǎng)絡(luò)只起匹配作用，不額外損耗功率，可以保證最大的傳輸系數(shù)，對(duì)器件特性起均衡作用，并可以滿足系統(tǒng)所需要的帶寬要求。

使用器件的ＩＶ曲線或者通過(guò)輸出功率、工作電壓等參數(shù)可以確定負(fù)載ＲＬ。為使輸出功率最大，用ＲＬ表示器件的內(nèi)部漏極負(fù)載，以此作為輸出匹配電路的目標(biāo)。如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)一個(gè)復(fù)阻抗有最佳匹配，則網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗等于負(fù)載阻抗的復(fù)數(shù)共軛值?，F(xiàn)在的負(fù)載阻抗是純實(shí)數(shù)ＲＬ，所以最佳輸出匹配電路反映到器件漏極負(fù)載的阻抗是ＲＬ的復(fù)數(shù)共軛值，即：

ＲＬ＝（ＶＤＤ－ＶＤＳ（ｓａｔ））２／２Ｐ

其中ＶＤＤ是工作電壓，ＶＤＳ（ｓａｔ）是拐點(diǎn)電壓，Ｐ是輸出功率。

根據(jù)上式可以算出，ＭＲＦ３７３的ＲＬ大約為６Ω。

本文中的放大電路采用分離元件和分布參數(shù)元件混合使用的方法。由于電感比電容有更高的熱損耗，所以在此類(lèi)電路中通常避免使用電感，而使用高阻抗的傳輸線代替?；旌项?lèi)型的匹配網(wǎng)絡(luò)通常包括幾段串連的傳輸線以及間隔配置的并聯(lián)電容。該放大器的輸入匹配部分采用了四節(jié)連阻抗變換，輸出匹配采用五節(jié)連阻抗變換的混合電路形式。輸入、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖２、圖３所示。

２ 電路優(yōu)化與仿真結(jié)果

由于數(shù)字電視發(fā)射系統(tǒng)要求放大電路必須工作在線性放大狀態(tài)，可以用小信號(hào)Ｓ參數(shù)法分析。借助器件廠商提供的小信號(hào)Ｓ參數(shù)文件，可以用ＡＤＳ對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行小信號(hào)Ｓ參數(shù)仿真，得到小信號(hào)增益、端口匹配、隔離及穩(wěn)定因子Ｋ。表２為ＭＲＦ３７３在（Ｖｃｅ＝２６Ｖ、Ｉｃ＝５００ｍＡ）下的Ｓ參數(shù)。

用ＡＤＳ進(jìn)行電路仿真并不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電路優(yōu)化。當(dāng)只有小信號(hào)Ｓ參數(shù)作為模型來(lái)設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)，電路優(yōu)化的步驟一般為：首先盡可能以ＲＬ（相對(duì)最大輸出功率的負(fù)載電阻）匹配為目標(biāo)，優(yōu)化和確定輸出匹配電路元件值；然后再優(yōu)化輸入匹配電路的元件值，改善增益和輸入匹配電路。需要注意的是：在優(yōu)化前，必須得到盡可能完整的輸出電路模型，然后在工作頻率下對(duì)其優(yōu)化，達(dá)到與ＲＬ的最佳匹配。圖４為放大電路的仿真結(jié)果，圖５為電路最終優(yōu)化結(jié)果。

３ 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和反復(fù)調(diào)試，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖６所示。該驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器工作于線性狀態(tài)。由圖６增益曲線圖可知，整個(gè)頻帶內(nèi)增益平坦，為１２ｄＢ左右，與仿真結(jié)果大致一樣?；夭〒p耗小于１５ｄＢ，帶內(nèi)駐波比小于１．３。輸入功率２瓦時(shí)，用功率計(jì)測(cè)得輸出功率２５Ｗ，信號(hào)幅度穩(wěn)定，其交調(diào)抑制小于－３５ｄＢ。各項(xiàng)指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求，與國(guó)外同類(lèi)數(shù)字電視發(fā)射機(jī)中放大器的指標(biāo)接近，成本大大降低，為今后數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的國(guó)產(chǎn)化研制奠定了基礎(chǔ)。

可用于移動(dòng)接收地面數(shù)字電視的天線設(shè)計(jì)

1、在移動(dòng)中接收數(shù)字電視，因?yàn)樾盘?hào)是隨不同地理位置變化，而信道特性是作動(dòng)態(tài)變化的，這就要求天線對(duì)不同信道的動(dòng)態(tài)特性變化的穩(wěn)定可靠性作出實(shí)時(shí)反映，在移動(dòng)中天線須在全方位范圍內(nèi)保證一定的帶寬和增益。為此我們?cè)O(shè)計(jì)出一種全方位圓柱體螺旋微帶天線，它把1/4波長(zhǎng)的微帶諧振器呈螺旋狀地繞在具有一定厚度（h）的空心圓柱體上，其微帶貼片與地板構(gòu)成同軸圓柱體，體積比較短小，可以和任何載體（例如汽車(chē)）共形，同時(shí)可以設(shè)計(jì)成任何規(guī)格（50Ω，75Ω）與同軸電纜聯(lián)結(jié)，不須匹配網(wǎng)絡(luò)，且空芯內(nèi)部可以安裝有源電子器件。

選擇具有一定厚度（h）的介質(zhì)，是為了增加輻射電導(dǎo)使輻射對(duì)應(yīng)的Qr值和總的QT值下降，從而增加帶寬。當(dāng)介質(zhì)基片選定后介電常數(shù)εr和損耗角正切tanδ這一對(duì)數(shù)據(jù)就同時(shí)給出，當(dāng)εr減小時(shí)介質(zhì)對(duì)場(chǎng)的“束縛”就減小，此時(shí)天線就易于輻射，但相對(duì)于天線的儲(chǔ)能就減小，Qr值下降，頻帶加寬，但εr的減小會(huì)使介質(zhì)基片尺寸加大，選擇大的損耗角正切才能使Qr下降頻帶加寬，但此時(shí)天線效率卻降低很多，所以要統(tǒng)籌考慮。

因?yàn)棣舝和tanδ是頻率的函數(shù)，所以選擇好介質(zhì)基片后要進(jìn)行實(shí)測(cè)，以免設(shè)計(jì)饋電點(diǎn)的位置出現(xiàn)偏差而影響阻抗匹配。我們選用的介質(zhì)材料是聚四氟乙烯（PTFE），按設(shè)計(jì)尺寸一次沖壓而成型，然后用蒸發(fā)，離子鍍銅工藝鍍帶線和地板。

2、對(duì)微帶帶寬W的確定？

因?yàn)閹Ь€長(zhǎng)度λg/4與εe（等效介電常數(shù)，λg＝λ0／εe）有關(guān)，當(dāng)εr和h為已知時(shí)，W就取決于εe，可按下列公式計(jì)算：W＝C*fr（εr＋12）－12

式中，fr——工作頻率；

C——光速；

εr——相對(duì)介電常數(shù)。

數(shù)字電視一般工作在470～860MHz范圍內(nèi)，帶寬為6～8MHz，增益在4dB左右。當(dāng)選用小于上式計(jì)算出的寬度時(shí)，其天線效率將會(huì)降低，大于上式時(shí)雖然效率較高但易產(chǎn)生高次模影響圖像的清晰度。為避免工程上的復(fù)雜計(jì)算，在設(shè)計(jì)微帶線時(shí)對(duì)不同介質(zhì)、不同尺寸的帶線特性阻抗，可查閱微帶天線工程手冊(cè)中給出的W/h，εe，Z0值。

3、對(duì)螺旋微帶線的修正？

因?yàn)槁菪Ь€的終端是開(kāi)路的，我們理論上認(rèn)為終端開(kāi)路具有無(wú)限大的開(kāi)路負(fù)載阻抗，實(shí)際上它不是真正的開(kāi)路，在開(kāi)路端存在著電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)，相當(dāng)于在終端附加了一個(gè)終端電容，為了抵消這個(gè)終端電容的影響，開(kāi)路端要比理想設(shè)計(jì)計(jì)算值縮短一個(gè)Δl長(zhǎng)度。因?yàn)榻K端負(fù)載阻抗為無(wú)窮大λg/4傳輸線的輸入阻抗為零，當(dāng)終端負(fù)載接有一個(gè)附加電容時(shí)，如果仍要保持輸入阻抗為零，此時(shí)微帶線就要縮短一個(gè)Δl長(zhǎng)度。

因?yàn)棣薵/4微帶線是呈螺旋狀纏繞在圓柱體上，在末端產(chǎn)生突變（變尖），這種突變會(huì)引入附加的電抗，所以要針對(duì)這種突變對(duì)微帶線進(jìn)行修正來(lái)抵消這種電抗的影響。

其修正值所去掉的Δl值與W、h，εr值有關(guān)，用微帶線修正理論分析與計(jì)算要引入許多復(fù)變函數(shù)極為復(fù)雜，同時(shí)又給出許多假設(shè)條件，不易得出準(zhǔn)確的結(jié)果，實(shí)際工作中要經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)與積累的經(jīng)驗(yàn)來(lái)修正，Δl一般取微帶線的0.2倍。

我們?cè)O(shè)計(jì)的？λg/4螺旋貼片天線用切掉微帶線的一個(gè)角來(lái)抵消終端電容，附加電抗的影響，同時(shí)它還能微調(diào)諧振頻率，當(dāng)切掉T1時(shí)會(huì)使頻率增加，對(duì)阻抗匹配影響甚微。當(dāng)切掉T2時(shí)也使頻率降低，但對(duì)阻抗影響很大，需重新調(diào)整，所以設(shè)計(jì)時(shí)將諧振工作頻率略往低一點(diǎn)考慮，比較有利。為使螺旋微帶天線容易輻射和接收，在邊緣地帶留有一定距離的輻射縫隙（B）。經(jīng)驗(yàn)證明兩帶之間（S）的空間間隔至少為微帶寬度（W）的一半時(shí)，天線工作效率最好，因此可簡(jiǎn)單地確定螺旋圈數(shù)，為了保證全向方向圖，微帶寬度不應(yīng)小于圓柱的直徑（D）。饋電方式直接影響到微帶線的輻射特性，我們選用50Ω BNC型接插件，背饋輸出，接插頭的中心線與微帶線饋電點(diǎn)聯(lián)結(jié)，接地端與圓柱體內(nèi)壁地板相連。為使螺旋微帶線不受外界環(huán)境的影響，在螺旋貼片微帶天線外部加一個(gè)玻璃外罩保護(hù)，預(yù)防雨雪侵害。天線底部加一塊磁鐵吸在汽車(chē)頂部。

4、 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)發(fā)展數(shù)字電視起步較晚，但發(fā)展速度非?？?，市場(chǎng)特別大，但是缺乏自己專(zhuān)有產(chǎn)權(quán)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，盡管清華正在研制數(shù)字多媒體廣播地面（DMB-T）標(biāo)準(zhǔn)，交大也正在開(kāi)發(fā)高級(jí)數(shù)字電視廣播地面（ADTB-T）標(biāo)準(zhǔn)，但都還在不斷完善之中，中國(guó)必須要有自己的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)。目前，國(guó)內(nèi)廠商已有能力提供業(yè)內(nèi)人士認(rèn)可的DVB核心設(shè)備，也開(kāi)播了不少數(shù)字電視頻道的試播節(jié)目，所以希望有關(guān)部門(mén)盡快地公布我國(guó)自己的地面數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)造更好的數(shù)字電視環(huán)境，讓人們享受高科技帶來(lái)的高清晰度數(shù)字電視節(jié)目。

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