射频功率检测（共7篇）
射频功率检测 篇1
0 引言
我国地面数字电视标准要采用自主研发的DTMB/TDS-OFDM频、时域处理技术,其支持高、标清电视的不同制式,支持室内、移动、便携接收等三种接收方式,支持单频网和多频网两种组网模式,可根据应用业务的特性和组网环境选择不同的传输模式和参数。
地面数字电视射频信号的信道功率是衡量网络质量的重要测量指标,其大小直接决定信号的覆盖范围及某接收点是否能够正常接收。本文介绍了一种测量地面数字电视射频信号功率的检测器,此检测器能够检测数字信号的平均功率,真实反映信号的信道功率大小。
1 模拟、数字电视信道功率区别
模拟电视广播,用峰值功率电平表征频道信号的强弱。测量模拟电视发射机输出信号功率电平时,使用频谱仪对信号同步脉冲的峰值电平进行测量。因为这里集中了信号在频道内的主要能量(超过98%),所以可以认为对载波同步脉冲的测量可以代表信号在测量频道内的电平值。
数字电视广播用信道功率表征频道信号的功率强弱。数字电视调制信号类似噪声,信号在调制到射频载波前被进行了随机化处理。由于数字信号以噪声形式出现,它更像随机加入到频域测试设备中的一组组脉冲,所以采用信道平均功率判断信号强弱。
数字电视信号有较高的峰均比,如表1所示。如果测量中仍测其峰值功率电平,则测的的数据会与信道平均功率有较大误差。因此,数字电视信号的测量应测其平均功率。
2 功率检测器系统总体设计
数字电视射频信号功率检测器主要由3个部分组成:带通滤波器、RF功率检测模块和系统控制与显示模块。其框图如图1所示。
图1数字电视射频信号功率检测器系统框图
(参见下页)
数字电视发射机功率检测器用ARM S3C44B0X芯片作为其核心控制器,内部的宽带滤波器用微带线滤波器实现,RF功率检测用专业的功率检测芯片AD8362实现,模数转换用双通道、12位高速ADC芯片实现,显示用128×64像素点单色LCD显示器实现。
框图中共有2组带通滤波器+功率检测模块组合,分别用来检测一个频道的RF信号入、反射功率大小。若系统需要同时检测多个频道的RF入、反射功率,则可以增加带通滤波器+功率检测模块组合及ADC模块数量。
耦合而来的RF信号先进入数字电视射频信号功率检测器中的带通滤波器(UHF波段特定中心频率、带宽8MHz)。经过滤波后,某一特定频道的RF信号再送入功率检测模块,检测后输出信号强度模拟电平,该功率检测模块可以检测数字信号的真有效值功率,检测动态范围高达60dB。ADC芯片将送来的RF功率强度模拟检测电平转换为数字信号输出,该ADC芯片具有2个12位的高速逐次逼近型ADC模块,采样速率高达2MSPS。ARM控制器控制整个功率检测器的功率检测及显示功能,ARM控制器接收ADC送来的数字信号,经运算处理后,最终将结果显示在LCD显示模块上,ARM控制器采用16/32位ARM7TDMI内核,主频66MHz,集成8KB高速缓冲器、外部存储器控制器、LCD控制器等模块。
3 硬件设计
3.1 输入保护电路
在整个功率检测器的输入端,增加了输入功率过载保护电路。当输入的RF信号功率过大时,该保护电路将会自动限制输入信号的功率,达到保护后级检测电路不受损伤的目的。输入过载保护电路由肖特基增强型PIN限幅器、射频变压器组成。当输入RF功率低于门限电平时,信号能够正常通过保护电路;当输入RF功率达到或超过门限电平时,保护电路会自动将输入功率限制在最大允许功率电平上,保证后级电路正常工作。该保护电路具有宽工作频率200~1400MHz,低功率限制电平约6.05dBm,能够满足广播电视频段应用的需求。
肖特基增强型PIN限幅器采用ASML-5829,限幅器中有一PIN二极管和一肖特基二极管,两二极管如图反向并联在输入电路上,当RF信号低于限制门限,肖特基二极管上电流很小,导致PIN二极管的结电阻很大,RF信号便能无损耗地向后级传输;当RF信号增大到限制门限,肖特基二极管电流升高,导致PIN二极管结电阻减小,大部分RF信号入射功率经PIN二极管被反射回输入源。射频变压器采用TC4-14+,次级初级绕阻比为4,因此变压器即能起到放大信号的作用,又能起到阻抗匹配的作用。输入过载保护电路在整个工作频段内,插损最大约2.8dB,回波损耗最小约-18dB。
3.2 功率检测
3.2.1 均方根检波器AD8362
AD8362是一个真有效值功率检测器,其检测输出的线性直流电压正比于输入信号功率大小,输出与输入信号的峰均比无关,具有60dB测量范围。它被用于各种不同高频通信系统和对信号功率要求准确相应的仪器中。该芯片简单易用,只要单5V电源供电和一些电容。它可以在任意低频至2.7GHz频率中工作,可以接受从1mV~1V有效值的信号输入。被测信号的峰值因数可以高达6,超过了对CDMA信号精确测量的要求。AD8362能够测量射频信号的有效值功率,为理想的数字电视射频信号功率检测器。
AD8362具有以下特性:1)完全精准测量/控制系统;2)精准的RMS转直流(50Hz~2.7GHz);3)输入动态范围大于60dB(50Ω下,-52~8dBm);4)独立的波形和调制(GSM/CDMA/TDMA等);5)线性的分贝输出(50mV/dB);6)0.5dB偏差;7)不同温度和供电下功能稳定(4.5~5V在24mA,-40~+85℃);8)待机状态1.3mW。
AD8362既能用于功放线性控制,也能用于射频功率检测。当用于功率检测时,其VOUT脚与VSET脚应直连,此时输出是正比于输入rms对数值,斜率50mV/dB。当用于功放线性控制时,VOUT脚与VSET脚独立,功放通过AD8362的VOUT输出来改变自身的增益,达到功率输出线性的目的。
3.2.2 功率检测电路
AD8362提供测量模式和控制模式两种工作模式。在控制模式下,AD8362可监视可变增益功放的输出,并通过设定VSET脚上的电压,控制调节功放增益,使功放输出到一个理想的目标值。当输入大于VSET脚设定值,VOUT置逻辑高电平,当输入小于VSET脚设定值,VOUT置逻辑低电平。在测量模式下,AD8362仅检测RF的功率大小,VSET脚与VOUT脚短路。本设计采用测量工作模式,检测电路如图3所示。
AD8362的输入可以是差分输入或单端输入,如果要配置为差分输入模式,输入电路前还需增加BALUN(非平衡转平衡转换器),这里我们使用单端输入模式。VOUT经过运放放大后送出检测电压值PWR_DET。当VSET脚与VOUT脚短路连接时,输出电压与输入信号电平呈线性对数关系(斜率50mV/dB),对于输入信号为-60dBm(截距)时,VOUT输出为0V。输出电压可用如下公式表示:
VOUT=(PIN-PZ)×50mV
PIN为输入信号的功率,PZ(截距)为输出为0V时的输入信号功率,两者单位均为dBm。通常PZ为-60dBm。
本设计中,VSET脚与VOUT脚并未直接短路连接,而是通过一个电阻相连,且在VSET脚上加了一个配置电压(截距重定位电压)。这样,便可以增加输出电压公式中的斜率,以便更适应特定的功率检测环境。当然,这样的电路连接也会降低检测的动态范围。
由于VOUT、VSET连接改变,斜率有所变化。另一方面,由于阻抗失配和衰减等因素,测量可能会有误差,因此,需要对测量电路的计算公式做校正,重新计算公式中的斜率(SLOPE)和截距(INTERCEPT)。校正方法是施加连个接近AD8362线性输入范围端点的已知信号电平,然后测量输出电压。根据AD8362线性范围选择两个输入信号电平为PIN1=-60dBm,PIN2=-30dBm,并分别测得电路输出电平为VOUT1和VOUT2。则可以通过以下公式计算斜率和截距:
因此,校正后电路的输出电压可表示为:
VOUT=SLOPE(PIN-INTEERCEPT)
检波器输出给后级的双路,12BIT ADC处理,将检测直流电压变为数字信号经过SPI接口送至MCU主控制器。
3.3 系统控制
整个功率检测器选用三星公司的16/32位RISC处理器S3C44B0X(66MHz)作为系统控制器。S3C44B0X采用ARM7TDMI内核,0.25μm工艺的CMOS标准宏单元和存储编译器,为手持设备和一般类型的应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。该处理器提供了丰富的内置部件:8KBcache、内部SRAM、LCD控制器、71个通用I/O接口、RTC、10位ADC、自动握手的2通道UART、I2C总线接口等。系统控制器执行功率检测程序,并控制检测电路对射频信号功率的采集,将功率检测结果显示在LCD模块上。LCD模块选用128×64像素的LCD屏,共能显示4行中英文字符。且通过软件控制,可以实现定时刷屏,这样就能实时显示射频信号功率的检测结果了。
4 软件设计
功率检测软件执行的流程如图4所示。系统先初始化功率检测模块、ADC模块、LCD模块等,使所有模块进入正常工作状态。MCU采集射频信号的入、反射功率检测数据,对数据进行判断是否超过测量线性范围,如超过,则显示超过测量范围,此时可按“重新检测”按钮使系统重新检测功率;如未超过,则由采集数据计算功率值的大小。系统对功率值继续判断其是否在设定门限范围内,如超过,则显示异常功率值大小及功率异常报警,此时仍可按“重新检测”按钮使系统重新检测功率;如未超过,则显示正常的功率值大小。如果检测的功率值正常,系统默认是按周期循环检测,使维护人员能够实时查看入、反射功率状态,同时也可按“停止循环检测”按钮随时停止循环检测程序,使显示保持当前状态。
5 小结
本设计的数字电视射频信号功率检测器能够准确实时测量地面数字电视射频信号功率大小,并具有功率异常报警功能,为维护人员提供有效监测手段,提高维护效率,保障安全播出。本检测器检测准确、结构简单、运行稳定,具有一定的应用前景。
射频功率放大器的研究 篇2
1射频功率放大器国内的研究现状
我国涉足射频领域较晚, 很多方面与国外相比还处于初级阶段, 再加上军工产品的禁运限制, 很多先进的射频功率放大器无法运往国内。功率放大器的应用极为广泛, 涉及到的领域包括航天科技、卫星通信、军用通信等, 因此, 充分了解和掌握射频电路设计核心技术, 进一步提高半导体方面的工艺设计, 是提高射频技术的唯一途径。值得庆幸的是, 我国对于高精度设备的设计和产生给予了高度重视, 越来越多的专家学者致力于射频技术的研究, 这就使得国内的射频技术也得到了很大程度的提高, 取得的成果也较为瞩目。
2射频功率放大器概述
设计射频功率放大器应该从了解各项技术指标入手, 充分掌握各项指标的物理意义和制定目的, 有助于进一步理解放大器的工作原理, 只有全面掌握以上内容, 才能为提高放大器设计水平提出更好的建议。针对不同的电路设计, 放大器的工作状态也会不同, 充分了解放大器在不同工作状态下的工作原理, 有利于对放大器工作状态的选型。其中射频放大器在设计过程中应该重点考虑其工作效率、输出功率、线性特征等指标参数。
2.1射频功率放大器的技术指标
无线发射机是现代通信系统中能量消耗最多的部分, 而作为发射机中的核心器件, 射频功率放大器消耗了其中绝大多数能量。与传统的低频放大器相比, 射频功率放大器在设计过程中需要考虑的因素既多又复杂。另外, 对于射频功率放大器来讲, 设计过程中需要重点考虑的参数包括工作效率、输出功率、线性范围等。
2.2射频功率放大器的分类
射频功率放大器具有较多的种类, 在分类上不同的分类原则得出的结果也会不同。工程师一般情况下倾向于按照功放管导通角进行分类, 这样可以分为A类、B类、AB类、C类、D类、E类等。A类功率放大器的导通角为360度, 这就意味着在放大电路中功放管的状态一直是放大的, 比较适用于非恒定包络调制放大电路, 但A类放大器的不足之处在于它的效率不高, 因此, 该类放大器对小信号的放大有非常显著的效果;B类功率放大器的导通角为180度, 这就是说功放管在一个周期内只有半个周期是导通的, 因此, B类功率放大器需要结合其他放大电路共同使用, 只有这样才能保证两个负载到一起合成一个周期。但与A类功率放大器相比B类功率放大器的的效率较高, 比较适用于中低频大功率放大电路;AB类功率放大器的导通角介于180度到360度之间, 由此可以看出, AB类放大器既能够达到A类放大器的线性要求, 也能够兼顾B类功率放大器的效率;C类功率放大器的导通角小于180度, 它主要用来将恒定包络信号放大, 且效率与导通角的大小有直接关系;D类功率放大器的导通角为180度, 具有较高的效率, 理想状态下高达100%;E类功率放大器是本文研究的重点, 它属于开关类放大器, 开关类放大器的典型特征就是效率高, 且它还兼具了传统放大器的线性, 尤其是在VHF频段表现非常优异, 军工和工业无线通信中采用的便是E类功率放大器。
3功率合成器
随着人们对功率的要求越来越高, 很多情况下单个射频功率放大器的输出功率已经不能充分满足系统的需求, 这就借助需要功率合成技术, 将两路甚至更多路功率放大器的输出信号合成, 使其变成一路。另外, 功率合成技术还能有效提高系统的可靠性, 防止当其中某路功率放大器发生故障, 系统的输出量出现零的情况。一般情况下, 功率的合成主要采用的是功率合成网络的方式。一个理想的功率合成器的需要满足以下条件, 首先要满足功率相加的原则, 另外在各个功率放大器之间相互没有关联, 其中一个出现故障, 不会影响其他功率放大器的工作状态, 此外, 还要遵循功率相减原则, 即当一个或几个功率放大器出现损坏, 要尽最大可能减小负载上损失的功率。
4总结
由于E类射频功率放大器在VHF波段表现优异, 因此, 被广泛应用于各类无线通信系统中, 且得到了快速的发展。本文首先简述了国内射频功率放大器的研究现状, 再通过分析射频功率放大器的技术指标及分类, 对射频功率放大器有了进一步的了解, 文章的最后又对功率合成器进行了简要的介绍, 希望通过上述分析, 能够使大家对射频功率放大器有更充分的认识。
参考文献
[1]李珏, 赵继德.一种高功率小型射频放大器研究[J].激光杂志, 2014 (08) :66-68.
[2]田进.浅议射频功率放大器的研究[J].科技创新与应用, 2015 (16) :93.
浅议射频功率放大器的研究 篇3
关键词：射频放大器,基本概念,类别,技术指标
前言
在发送设备系统中射频功率放大器是极为重要的组成器件, 其主要是针对输出功率、功耗、效率、激励电平、失真以及尺寸和重量等相关因素做出综合考虑的一种电子电路。输出功率以及效率是衡量射频功率放大器的主要指标, 在此基础上对于输出的谐波分量要尽可能的小, 进而避免产生对其他频道的干扰。此外射频功率放大器在发射系统的应用中, 其输出功率范围一般较大, 可以从m W到k W之间。因此对射频功率放大器进行研究, 并实现射频大功率输出, 把握关键环节, 实现高效的能量传输, 对于发送系统意义十分重大。
1 射频功率放大器的分类
由于射频功率放大器频带相对于较窄工作频率较高, 因此其负载回路一般均采用选频网络。对于射频功率放大器的分类可以按照电流导通角进行分类, 当其放大器的电流导通角为360°时, 将该种射频功率放大器成为甲类工作状态也可成为A类, 该类放大器适合于将低功率小信号进行放大;当其放大器的电流导通角为180°时将该种射频功率放大器成为乙类工作状态也可成为B类, 该类放大器适合于大功率工作状态;当其放大器的电流导通角小于180°时我们将该种射频功率放大器成为丙类工作状态也可成为C类, 该类放大器与乙类相同, 均适合于大功率工作状态, 只不过丙类工作状态的效率和输出状态相对更大。因此大多数射频功率放大器都工作在丙类状态, 但由于丙类工作状态的放大器有一明显的缺点就是能够使得电流波形过大失真, 因此为了避免过度失真, 一般采用调谐回路将负载谐振功率放大, 这是因为调谐回路具备滤波功能, 进而使得电流波形接近于正弦状态, 进而最大程度减小失真。除此之外为了得到更大的功率放大以及效率, 还有丁类工作状态放大器以及戊类工作状态放大器, 按照英文也可成为D类和E类。
2 射频功率放大器的主要技术指标
2.1 输出功率
对于射频功率放大器来说其功率严格意义上分为最大瞬间输出功率和标准输出功率, 我们常说的输出功率其实就是标准输出功率也是额定输出功率, 其实质就是射频功率放大器能够以长时间安全工作且谐波失真能够在标准范围内的输出功率最大值, 而最大瞬间输出功率指的是在不受信号损坏的条件下射频功率放大器能够承受的最大峰值输出功率。射频功率放大器在发射系统的实际应用中, 其末级输出功率的范围空间相当大, 因此为了实现输出大功率, 一般在其前级单路上设有足够大的激励功率电平, 这样也就有了多级放大环节。对于射频功率放大器输出功率指标的掌握, 主要是因为其要与工作频率以及用途相结合, 进而选取FET、晶体管、射频功率集成电路还是电子管作为其使用元件。就目前射频功率放大器的技术发展而言, 对于较高输出功率的射频功率放大器多选用电子管, 其他输出功率等级的可以考虑FET和晶体管。
2.2 传输增益
传输增益就是指射频功率放大器输出功率与输入功率的比值, 用单位分贝d B来表示。由于射频功率放大器的传输增益是可以随着输入信号的变化而变化的, 因此射频功率放大器的传输增益是衡量射频功率放大器品质及性能好坏的一项重要指标。当其传输增益的分贝值越小, 说明其频率的相应曲线更加趋于平坦, 其信号失真也就越小, 信号的再现能力与还原能力就越强。因此该指标为我们选取射频功率放大器提供了重要依据。
2.3 线性
线性其实就是指射频功率放大器的线性度, 其指标包括1d B压缩点、IP3 (三阶互调截点) 、邻道功率比以及谐波等。其中邻道功率比就是用来衡量射频功率放大器非线性频谱再生造成对邻道的干扰程度。射频功率放大器一般采用非线性放大器, 这是因为非线性放大器在效率指标上高于线性放大器。从频谱角度上衡量, 非线性放大器的输出信号可以产生新的频率分量, 进而使得其干扰了有用信号使信号, 频谱变大频带展宽。从时域角度上衡量, 由于非线性放大器的传输增益因素影响, 使得其波形失真出现频谱再生现象, 此外还存在相位变化影响。而这些诸多影响对于移动通信设备的性能和功能都极为重要, 因此研究这些因素的影响范围以及应对措施, 对于射频功率放大器的实际应用具有十分重要的意义。
2.4 效率与杂散输出
对于射频功率放大器而言, 效率也是一项极为重要的技术指标, 因为其直接影响通信设备的综合效率。我们通常采用PAE (功率增加效率) 以及nc (集电极效率) 等方法来衡量该项指标。杂散输出与噪声会在当接收机和发射机采用不同频带工作时产生于接收机频带内, 进而对其它邻道形成干扰。为此必须采取一定的措施限制射频功率放大器频带以外的寄生输出, 进而减少信号干扰。
3 结束语
综上所述, 射频功率放大器是现代发送设备系统当中极为重要的组成器件。对射频功率放大器进行研究, 实现射频大功率输出, 掌握和提高射频功率放大器的技术指标, 实现高效的能量传输, 对于发送系统意义十分重大。射频功率放大器的分类按照电流导通角分为A、B、C、D、E即甲、乙、丙、丁、戊等五类, 不同类别的放大器, 其应用场合不同。射频功率放大器的主要技术指标包括:输出功率、传输增益、线性以及效率与杂散输出等。为了能够更好的应用射频功率放大器提高其综合性能, 我们就必须要掌握其最基本的类别划分以及技术指标的研究, 进而找到提升办法。
参考文献
[1]金玮, 李斌.磁共振射频子系统主要参数对整体性能的影响[J].中国医疗器械杂志, 2012.
[2]王青平, 张晓发, 谭渊, 等.基于IFM的小型化线性射频放大器设计[J].半导体技术, 2012.
[3]王利艳, 马玉霞.MR-5002型射频功率放大器故障维修2例[J].医疗卫生装备, 2014.
射频功率放大器的EDA设计 篇4
随着通信技术的迅猛发展, 对智能仪表仪器等测量工具的要求也越来越高, 尤其是作为核心部件的高效率射频功率放大器, 传统的人工调试设计法不仅效率低下, 而且也很难达到精准的指标要求, 为了提高设计效率以及电路参数的准确性, 我们将使用EDA设计软件ADS来诠释一种全新的设计流程。
2 指标要求
频率范围:1478-1500MHz
1d B压缩点:38d Bm
增益:14d B
输入功率:25d Bm (最大值)
3 设计方法
由以上指标可以看出, 对于放大器效率的要求还是很高的, 因此第一步就是选择一款合适的晶体管, 通过筛选, 我们选择了FLL120MK, 接下来我们将使用ADS软件内嵌的负载牵引和源牵引功能来确认晶体管的最佳负载和源阻抗。图1与图2分别显示出了负载牵引结果与源牵引结果。
确定了源阻抗和负载阻抗以后, 接下来就需要用实际的匹配电路来完成对这2个阻抗值的匹配, 图3显示了负载阻抗的匹配电路, 图4显示了源阻抗的匹配电路。
然后我们对以上2个匹配电路作仿真, 看是否满足要求, 图5和图6分别显示了仿真结果, 结果显示完全满足匹配要求。
基于以上的仿真结果, 我们可以得出完整的功率放大器电原理图, 见图7。
最后再对以上电原理图作仿真, 结果见图8和图9.
由以上仿真结果可知, 电路参数完全符合要求。
4 结语
根据上面给出的设计实例, 我们知道使用现代EDA设计技术可以大大提高射频功率放大器设计的效率和精准度, 从而为进一步的规模生产提供可靠的保障。
参考文献
[1]王子宇, 张肇仪, 徐承和.射频电路设计:理论与应用.电子工业出版社, 2002.
射频功率放大器与微带电路设计 篇5
关键词：射频,功率放大器,电路设计,无线通信,设计
在无线通信技术领域中, GaN高电子迁移率晶体管作为最新的半导体功率器件, 由于其本身具有宽禁带以及击穿场强高、功率密度高等特征优势, 在高频以及高功率的功率器件中具有较为突出的适用性, 在电子信息系统性能提升方面具有较为明显和突出的作用优势, 在无线通信技术领域的应用比较广泛。针对这一情况, 本文在进行射频功率放大器及其电路的设计中, 专门采用ADS仿真软件对于射频功率放大器及其电路的设计进行研究分析, 并对于仿真设计实现的射频功率放大器在无线通信技术领域中的应用和参数设置进行分析论述, 以提高射频功率放大器的设计水平, 促进在无线通信技术领域中的推广应用。
1 射频功率放大器的结构原理分析
结合功率放大器在无线通信系统中的功能作用以及对于无线通信技术的影响, 在进行射频功率放大器的设计中, 结合要进行设计实现的射频功率放大器的工作频带以及输出功率等特点要求, 以满足射频功率放大器的设计与应用要求。在进行本文中的射频功率放大器设计中, 主要通过分级设计与级联设置的方式, 首先进行射频功率放大器的功率放大级以及驱动级设计实现, 最终通过电路设计对于射频功率放大器的两个不同级进行连接, 以在无线通信中实现其作用功能的发挥, 完成对于射频功率放大器的设计。需要注意的是, 在进行射频功率放大器的功率放大级结构模块设计中, 主要应用GaN高电子迁移率晶体管进行射频功率放大器功率放大级结构模块的设计实现, 同时在功率放大级结构模块的电路设计中, 注重对于输出功率保障的设计;其次, 在进行射频功率放大器的驱动级结构模块设计中, 以C波段的功率放大模块设置为主, 电路设计则以增益提升设计为主, 并对于增益平坦度和输出输入驻波进行保障。如图1所示, 即为射频功率放大器的功率放大级模块设计示意图。
2 射频功率放大器及其电路的设计分析
结合上述对于射频功率放大器的结构原理分析, 在进行射频功率放大器的设计中, 主要包括射频功率放大器的功率放大级设计和驱动级水, 此外, 对于射频功率放大器电路的设计, 也需要结合两个结构模块的实际需求进行设计实现的。
2.1 射频功率放大器的功率放大级模块设计
在进行射频功率放大器的功率放大级模块设计中, 主要采用GaN高电子迁移率晶体管进行该结构模块的设计实现, 需要注意的是, 在应用GaN高电子迁移率晶体管进行该结构模块的设计实现中, 由于GaN高电子迁移率晶体管目前还不具有较大的信号模型, 因此, 在进行该结构模块设计中, 注意结合实际设计需求进行选择应用。在进行射频功率放大器的功率放大级结构模块设计中, 通过直流偏置仿真设计对于氮化镓管子的静态工作点进行确定, 也就是实现氮化镓管子的漏极电流以及漏极偏置电压、栅极偏置电压等参数的确定, 在对于上述氮化镓管子静态工作点进行确定后, 通过ADS仿真软件实现场效应管直流的仿真设计, 同时注意在仿真设计中进行二端口模型的添加, 并结合上述GaN高电子迁移率晶体管的信号模型情况, 进行S参数信号的编辑导入, 同时进行直流偏置仿真控件的加入, 进行相关数值的确定, 以实现射频功率放大器的功率放大级设计。
此外, 在进行射频功率放大器功率放大级负载阻抗的设计中, 根据相关理论, 在负载阻抗与网络匹配良好的情况下, 负载阻抗的共轭复数与网络的输出阻抗值是相同的, 因此, 就可以通过计算对于射频功率放大器功率放大级负载阻抗值进行分析得出, 实际上也就是它的共轭复数值。同时, 在进行功率放大级设计中, 结合封装参数输出端的阻抗模型, 设计中为了实现场效应管输出电路匹配的优化, 以为输出电路进行准确的负载阻抗提供, 还需要在设计过程中将场效应管的封装参数在输出匹配电路中进行设计体现, 因此就需要对于Cds参数值进行求取。
最后, 在射频功率放大器功率放大级设计中, 偏置电路主要是用于将直流供电结构模块中所提供的电压附加在功率放大器的栅极与漏极中, 并实现射频信号以及滤波的隔离和电路稳定实现。在进行功率放大级的电路设计中, 注意使用ADS软件工具对于微带线尺寸进行计算, 病毒与全匹配电路进行微带线设计, 同时通过栅极偏置电路与漏极馈电电路, 以实现功率放大级的电路设计。此外, 在进行功率放大级模块设计中, 还应注意对于模块中的任意功率放大芯片, 都需要进行相关的稳定性分析, 以避免对于射频功率放大器的作用性能产生影响。
2.2 射频功率放大器的驱动级模块设计
在进行射频功率放大器的驱动级模块设计中, 主要通过C波段功率放大模块进行该结构模块的设计应用。其中, 在对于驱动级模块的参数设置中, 对于输出、输入参数均以内匹配方式进行匹配获取。对于射频功率放大器的驱动级设计来讲, 进行功率放大模块偏置电路的合理设计, 是该部分设计的关键内容。
最后, 在进行射频功率放大器的电路设计中, 在进行功率放大模块电路设计中, GaN HEMT结构部分需要进行栅压的增加设置, 并且需要注意栅压多为负压, 在此基础上还需要进行漏压增加设置。值得注意的是, 在进行射频功率放大器的偏置电路设计断开同时, 对于栅压和漏压的断开顺序刚好相反, 以避免对于功放管造成损坏。
3 结语
总之, 射频功率放大器作为无线通信技术领域的重要器件, 对于无线通信技术的发展以及通信质量提升都有重要作用和影响, 进行射频功率放大器及其电路的设计分析, 具有积极作用和价值意义。
参考文献
[1]沈明, 耿波, 于沛玲.一种射频大功率放大器电源偏置电路设计方法[J].中国科学院研究生院学报, 2006 (1) .
[2]陈玉梅, 钱光弟, 龚兰.30MHz-512MHz宽带功率放大器的研制[J].中国测试技术, 2007 (2) .
射频功率检测 篇6
1 同轴变换器模型
同轴变换器有三个重要参数:阻抗变换比、特征阻抗和电长度。这里用电长度是为了分析方便。当同轴线的介质和长度一定时,电长度就是频率的函数,可以不必考虑频率。
1.1 理想模型
理想的1:4变换器的输入、输出阻抗都匹配,每根同轴线的输入、输出阻抗等于其特征阻抗Z0,其等效模型如图2所示。
其源阻抗Zg与ZL负载阻抗变换比为:
图2和公式(1)表明:变换器的阻抗变换比等于输入阻抗与输出阻抗之比。同轴变换器的输入阻抗等于同轴线的输入阻抗并联,输出阻抗等于同轴线的输出阻抗串联。
1.2 通用模型
由于特征阻抗是实数,而源阻抗与负载阻抗一般都是复数,所以,就不能简单的用变换比来计算。阻抗匹配就是输入阻抗等于源阻抗的共轭,实现功率的最大传输。特征阻抗为Z0,电长度为E的无耗同轴线接复阻抗的电路如图3所示。
由于源阻抗与同轴线特征不匹配,电路的反射系数就不是负载反射系数。由于同轴线是无耗的,进入同轴线的功率就等于负载消耗的功率。那就可以把电路简化只有一个负载Zin,又因为Zg与Zin都是复数且串联,就可以把Zg中的虚部等效到Zin中,最后得到反射系数为:
其中,
当反射系数为零时,功率可以无反射的传输,这时阻抗实现完全匹配。
由公式(2),反射系数为零可以等效为分子为零,即:
其中,
当E为90°时,可得:
由于特征阻抗为实数,ZLZg*为实数时,方程才有解或才能完全匹配。当ZL和
Zg为实数时,就是常用的λ/4阻抗变换。当E不等于90°,利用实部与虚部都等于零得方程组:
整理化简得:
公式(3)说明,不是任意两个复阻抗都可以完全匹配,必须满足特征阻抗为正实数;可以并联或串联电抗元件,使两个不可能完全匹配的复阻抗完全匹配。
通用模型是结合理想模型和同轴线分析建立,如图4所示。把1:N同轴变换器等效一根同轴线,利用同轴线的分析结果,更容易获得特征阻抗和电长度参数。特别对于利用同轴变换器设计的匹配电路,可以简化设计步骤,减少工作量。
2 宽带匹配电路的设计
通过对同轴变换器的分析,可以通过调谐特征阻抗和电长度完成阻抗匹配。但是实际同轴线的特征阻抗是有一定规格的,不是任意的,而且电长度又是随频率变化的,所以采用同轴变换器和集总元件联合实现宽带匹配的方式。
2.1. 集总元件匹配电路
复阻抗可以用电阻与电抗串联表示,也可以用电阻与电抗并联表示,这两种表示的等效电路如图5所示。
它们都是指同一个复数,其转换关系为:
公式4表明,电阻并联电抗可以减小其复阻抗的实部,再串联电抗抵消其虚部,就可以实现Rp到RS阻抗匹配。所需的电抗值可以通过表达式4计算,且Xp与XS取不同性质的元件,如果Xp用电容,XS就用电感。
集总元件实现阻抗匹配原理:电阻并联电抗减小其实部,再串联电抗抵消其虚部,达到两个纯电路的匹配;当匹配的不是纯电阻时,可以采用抵消和吸纳虚部的方法实现复阻抗的匹配。
2.2 联合匹配电路
以Freescale公司MRF6V P2600推挽式MOSFET管的匹配电路设计为例,首先确定匹配电路的基本结构和同轴变换器的阻抗变换,然后再确定特征阻抗、电长度和集总参数。由于输入匹配电路设计与输出匹配电路类似,下面详细研究输出匹配电路设计。MRF6VP2600的DATASH EE T给的源极-源极的输出阻抗如图6所示。输出匹配电路中,由于功率管采用推挽式工作,所以在输出端加入1:1巴伦实现不平衡—平衡变换。利用通用模型,下面的工作就简化为同轴线与集总参数的匹配电路设计。同轴线的特征阻抗和电长度计算公式为:
式中,Er为内部填充介质的相对介电常数;D为外导体内径;d是内导体外径;为内导体系数,单股内导体时为1;C为空气中光的速度;f为工作频率,L为同轴线的长度。
公式5表明,电长度与频率呈线性关系,且其长度越短,电长度受频率的影响越小。
2.3 仿真验证
利用安捷伦公司的ADS工具进行输出匹配电路设计与仿真,一般可采用大信号S参数仿真和谐波仿真,由于本文设计用于推挽式工作的匹配电路,所以选用更直观的谐波平衡仿真。利用同轴线和巴伦的模型进行仿真的电路如图7所示。
由于图7的负载阻抗的实部是随频率增减而减少,所以在同轴变换器的两端并联电容。可以很容易对电路进行手动调谐和自动优化,最后的仿真结果如图8所示。
由图6,图8可以得到各频点的反射系数;再根据反射系数与频率的关系,可以求得匹配电路在工作频带的反射系数;最后根据匹配效率与反射系数的关系,求得匹配电路的匹配效率。具体结果见表1。
从表1可以得到,匹配电路的在工作频段内匹配效率达99.93%,实现了较好的匹配。
3 总结
本文建立同轴变换器的理想模型和通用模型,提出一种新颖的和简单的分析方法。通过分析,同轴线的特征阻抗和电长度对匹配电路的性能有很大影响。设计了一款推挽式MOSFET管的输出匹配电路,仿真结果表明:匹配效率达99.93%。
摘要：介绍了一种分析同轴线变换器的新方法,建立了理想与通用模型,降低了分析难度和简化了分析过程。通过研究分析,提出了一种同轴变换器与集总元件相结合的匹配电路设计方法,通过优化同轴线和集总元件的参数,实现放大器的最佳性能。利用该方法设计了一款应用于推挽式功率放大电路的匹配电路,仿真结果表明,匹配效率高达99.93%。
关键词：宽带射频,同轴变换器,匹配电路,巴伦
参考文献
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射频功率检测 篇7
在现代分析测试仪器中, ICP-MS、ICP-AES (OES) 都是一些精密的分析测试仪器, 它不仅具有极低的检出限, 而且能够对ppm量级的含量进行定量分析[1], 可以快速同时检测周期表上几乎所有元素, 成为公认的最有力的元素分析手段。[2], 为了满足产生并维持等离子体的条件, 须使射频电源的输出阻抗与负载阻抗匹配, 从而提高射频能量的传输效率。因此需要在射频电源和负载之间插入射频功率测量装置, 检测出系统的入射功率和反射功率, 分析判断出负载阻抗的状态, 进而确定负载的控制策略。
如图2所示, 射频功率测量装置主要包括采样互感器、移相电路、功率合成器和幅度相位检测器等模块单元。首先, 利用采样互感器按一定比例提取出射频电源输出信号的电流值i和电压值v。将提取出的两路信号v1和i1通过功率合成器进行合成得到输出值p1, 其关系式如式 (1) 所示。另外, 通过幅度相位检测器检测出电流信号i和电压信号v的相位差θ和幅度比, 并将相位差θ、幅度比和功率合成器的输出值p1进行模数转换, 将转换后的数字量送至控制单元。通过二元方程组的计算得到射频信号的电流值i和电压值v, 进而计算出入射功率、反射功率, 并分析得到负载阻抗的性质和状态, 如式 (2) 、式 (3) 所示。
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式中:VM, IM——电压, 电流的峰值;PREF——反射功率;PFWD——入射功率。
3 电路设计
3.1 采样互感器
如图3所示, 分别采用电流互感器和电压互感器提取出射频信号的电流值和电压值, 互感器的匝数均为26。互感器的磁环采用单孔镍锌铁氧体, 初始磁导率为80, 工作频率为30 MHz, 可以满足射频电源27.12 MHz的频率条件[3]。
按射频功率为100～1 500 W计算, 电流信号端的输出3.32～13.36 V, 电压信号端的输出为2.16～8.3 V, 计算出电阻网络最大耗散功率为0.9 W, 故电阻网络选用额定功率为2 W的无感电阻。互感器提取的信号经电阻网络调理后送至功率合成器和幅度相位检测器。
3.2 功率合成器
为了计算射频信号的电流值和电压值, 将采样互感器提取出的信号进行功率合成, 图4为功率合成电路图。功率合成器采用Mini-Circuits公司的功率合成分配器ADP-2-1W, 其频率范围为1～650 MHz, 阻抗50 Ω[4]。功率合成信号经过肖特基二极管整流, 再使用峰值保持电路将其转化为直流信号, 通过电阻分压后接至模数转换器, 经计算得到模数转换器的输入电压范围为0.39～4.06 V, 可以满足模数转换的条件0～4.096 V。
3.3 幅度相位检测器
幅度相位检测器采用ADI公司的AD8302, 其检测频率达到2.7 GHz, 阻抗为50 Ω, 幅度比的非线性小于0.5 dB, 相位差的非线性小于1°[5]。如图5所示, 将采样互感器提取出的信号接至AD8302的两个输入端, AD8302的输出为两路0～1.8 V的模拟信号VMAG和VPHS, 接至模数转换器, 控制单元通过计算得到电流信号和电压信号的幅度比和相位差, 如式 (4) 、式 (5) 所示, 其中θ为电流和电压信号的相位差。得到电流信号和电压信号的幅度比、相位差和功率和之后, 利用前文中的式 (2) 和式 (3) 便可计算得到系统的入射功率和反射功率。
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3.4 移相电路
为了确定负载的控制策略, 除了要计算出系统的入射功率和反射功率外, 还需对ICP光源负载的状态和性质进行分析判断。但是通过幅度相位检测器AD8302只能计算出两路信号相位差的数值, 却不能得到两路信号相位的超前滞后关系, 所以需在电流信号上串入移相电路。移相电路是由移相电容、运放OPA695和模拟开关74LVC2G53组成[6], 电路如图6所示。此电路是利用电容使信号相位滞后的原理, 控制单元通过控制模拟开关, 从而改变移相电容的容值, 可切换的容值为0、10 pF和47 pF。控制单元通过判断切换移相电容前后电流信号和电压信号相位差的变化, 从而确定负载的性质, 即确定负载为阻性、容性或感性。
4 参数校准
在2008年11月进行了氩气等离子体的激发实验, 在多次实验后, 成功产生环形球状等离子火焰。在实验过程中, 使用BIRD43型功率计和BIRD4304A型功率计对ICP光源的功率测量装置进行了校准, 校准曲线如图7所示。其中BIRD43型功率计的测量范围为0～1 000 W和0～2 500 W, 频率范围是2～30 MHz, 用于高功率的校准[7]。BIRD4304A型功率计具有五个档位, 其测量范围分别为0～5 W、0～15 W、0～50 W、0～150 W和0～500 W, 频率范围是25～1 000 MHz, 用于低功率的校准[8]。在校准过程中, 功率范围为100～1 350 W, 测量功率点33个, 采用一阶线性拟合, 相关系数为0.999[9]。由于利用纯氩气激发等离子体, 功率超过1 400 W可能出现炬管融化的情况, 故1 350～1 500 W的功率校准工作需待进样系统完善后进行。
5 总 结
本文阐述了电感耦合等离子源中功率测量的意义, 提出了100～1 500 W的射频功率测量装置的设计方案, 并给出了对于ICP光源负载状态和性质的判断方法。文章对射频功率测量装置中设计的电路进行了详细的分析, 包括采样互感器、功率合成电路、幅度相位分析电路和移相电路。在实验中, 利用现有功率计对射频功率测量装置进行了校准, 通过实验验证此功率测量装置可以用于产生并维持环形球状电感耦合等离子体。
参考文献
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[4]Datasheet ADP-2-1[EB/OL].W Mini-Circuits, 2002.
[5]Datasheet AD8302[EB/OL].Analog Devices, 2002.
[6]MAREK K, WOJCIECH G.A Low-Cost PC Controlled Systemfor Measurement of Vector Reflection Coefficient in ISM Band[J].Warsaw University of Technology, 2006:33-36.
[7]Instruction Book of Directional Thru Line Wattmeter Model 43[Z].Bird Electronic Corporation, 2001.
[8]Instruction Book of Directional Thru Line Wattmeter Model4304A[Z].Bird Electronic Corporation, 2002.