数字电视发射机射频功放模块的设计分析

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【摘要】本文对一种数字电视发射机的RF功放模块的原理和设计进行了分析。该RF功放模块的工作频率范围是170～230 MHz，功率为75W， 功率器件采用LDMOS技术的MRF9060，经试验测试，功放模块的各种指标符合数字电视发射机的要求。

【关键词】RF放大电路；直流偏置电路；仿真与测试

功率放大器件的特性曲线是非线性的，导致功放管在工作时会产生非线性失真，输出功率增大时，非线性失真随之变大。本设计的功放模块采用的LDMOS器件的MRF9060的带内增益20dB以上，静态工作点为Vds=28～32V，Vgs=3.7～4.1V，回波损耗15dB。RF功放模块由RF放大电路和直流偏置电路构成。RF信号功率放大电路决定了功放的增益，线性度，平坦度，功率大小等性能指标。直流偏置电路为功放管提供了偏置电压和保护措施，同时利用负反馈技术温度补偿来提高功放的线性度。

一、RF放大电路

RF功放模块电路采用的电路结构为平衡放大器形式，由两个3dB耦合器和两路匹配放大电路构成。RF信号送至3dB耦合器后被分成两路信号，其中一路信号被90°移相，两路信号同时放大，另一路放大的RF信号在输出耦合器被90°移相，两路信号恢复同相，合成功率输出，两个3dB耦合器的另一端分别接50Ω负载。电路框图如图一所示。

功率放大器芯片LDMOS器件MRF9060为N沟道增强型场效应管，具有良好的散热特性。它的高集成无源区域和有源区域取代了传统功放芯片的分离区，便于构成内部输入输出匹配网络，金属化栅极构造结构增加了增益，减少了串联电阻。MRF9060采用的工作模式为共源级，栅极和漏极之间具有减少反馈电容的屏蔽层。栅极有较长的长度满足了大范围的线性和动态增益的要求。耐反射能力较强，在驻波比SWR

二、直流偏置电路

减法器电路稳压电路、分压网络电路、过压保护电路和负反馈电路构成了直流偏置电路。引入30VDC的直流电源，通过15V稳压块获得15VDC的直流电压作为减法器和负反馈电路的电源VCC。减法器由运算放大器LM7171构成，分压网络由固定分压和可调分压网络组成。15VDC一路通过固定分压网络后的直流电平为6.7V，另一路由可调分压网络调整后的输出电压为3.9～4.5V作为减法器的输入在减法器的输出端获得3.6～4.1V的直流电压作为MRF9060的栅极偏置电压，通过调整可调分压网络的电位器可以获得不同的Vgs，来控制功放模块的增益。

两个三极管9013级联组成过压保护电路，30VDC的直流电源经稳压二极管V1后获得12V。电路如图二所示。稳压二极管V2输出2V，由R3，R4分压后，三极管V3的基极电压约为0.1V，三极管V3仍截止。三极管V4的基极电压约为0.7V，V4导通，输出近似接地，连接到分压网络作为参考电位。当输入电压过大时，V3导通，V4的基极电压将维持在约0.2V而不能导通，相当于可调分压网络串入了高阻抗，增大了减法器的输入端电压，截止了功率器件MRF9060的输出，起到了保护功放管的作用。同时采用反馈电路可以在一定程度上克服系统的非线性。LM7171差分放大器组成的反馈电路满足了大范围的RF功率反馈输入，使输出功率的范围得到了扩大。

三、仿真与测试

功率器件的Vgs的动态变化特性给仿真带来了困难。通过仿真获得合适的静态工作点和匹配网络，通过定性分析来判别系统的各部分对整体输出地影响。采用的仿真软件为安装了FreescaleRF功率模块库的ADS2005A，选取功率器件MRF9060，介电常数是2.65的聚四氟乙烯材料作为基板，厚度为0.8mm，传输线厚度0.035 mm。设置功率器件的静态工作点为Vgs=4.1V，Vds=30V，在功率器件MRF9060的电源与栅极和源极之间加入隔离射频的RF线圈，直流电源接有去耦电容，匹配网络和传输线之间串联隔直流电容。具体指标为在170～230MHz频率范围内增益不低于20dB，功率平坦度小于0.5dB。RF线圈的取值为nH级，取值较小时，增益较大，增益曲线坡度较缓；取值较大时增益较小，增益曲线坡度较陡。品质因数和带宽紧密相关，决定了增益曲线的波形，可以通过增加多级传输线和并联电容的的方式来满足增益曲线的要求。当调整出大致的增益曲线后，开始调整回波损耗曲线，通过调整电容值的大小和位置来确定，经过调整确定了传输线的长度和级数后，再进行合理布线和制版。输出功率较大时，线性度会变差，功放器件的线性度由三阶互调和1dB功率压缩点决定。仿真模型的RF输入端为双音频信号，功率相同且频率间隔为1MHz。在工作频带内的不同频率下对RF输出信号的功率进行扫描。在工作频率170～230MHz的范围内，三阶互调较为稳定，具有较高的频率稳定性，在输出功率为45dBm时优于-20dBc，输出功率为40dBm优于-40dBc。当频率低于170MHz时，1dB功率压缩点为47.6dBm，在170～230MHz的工作频带内，1dB功率压缩点大于48.75dBm（75W），满足设计要求。根据仿真结果设计印制板，选择介电常数为2.65的聚四氟乙烯材料，δ=0.8mm，覆铜厚度为0.035mm。直流电源为30VDC，调整电位器设置静态工作点的范围在3.6～4.1V之间。通过网络分析仪调试增益曲线和回波损耗曲线。通过调整静态工作点在3.9V，静态电流为1.7A时，具有较好的技术指标。带内平坦度小于1dB，增益高于20dB，回波损耗最小。

结束语

本设计对RF功率放大模块的各部分功能电路进行了细致的分析，充分考虑了系统的增益，线性度，平坦度，回波损耗等指标，通过仿真和实际测试验证了设计功放模块的功能，证明了设计方案适用于数字电视发射机的使用要求。