一种分米波数字电视发射机的调制器功放设计

黄海涛

摘要：本文介绍的数字电视功率放大器为宽带功率放大器，采用LDMOSFET器件MRF373，该放大器具有较宽的动态范围，较高的增益，优异的线性度。放大器电路为3 db平衡放大电路结构。经过测试，各项技术指标满足标准要求。

关键词：MRF373；平衡放大；匹配网络；偏置

功率放大器是数字电视发射机的重要组成部分，通常工作在甲乙类。一般情况下，数字电视发射机的调制方式为COFDM，调制后输出中频模拟信号，在经过上变频后送入放大电路部分，此调制方式包括IFFT（2M）和IFFT（8M）两种模式，分别由1705和6817个载波构成，由于各个子载波频率间隔很接近，导致交调信号常常落在频带范围内，产生交调失真。因此相对于模拟电视发射机来说数字电视发射机的功放在线性度和稳定性上有更高的要求。数字调制信号在动态峰值范围内时，发射机同样需要很好的线性，足够好的频率稳定度和频率精度，较低的相位噪声，确保传输信号具有较低的误码率和信噪比。甲乙类功率放大器效率较高，线性度差，需要通过中频预校正方法来提高放大器的线性度。

数字电视发射机的功率放大部分包括激励放大部分和主功率放大部分，调制器放大部分一般为宽带功率放大器。本文设计的放大器为激励宽带放大器，工作频率在U波段（470MHz～860MHz），工作状态处于甲乙类，增益超过10 db，噪声功率密度高于130db/HZ，交调抑制低于-35db。

一、功放芯片

功放芯片采用摩托罗拉公司的LDMOSFET器件MRF373，与传统双极性晶体管相比它的增益、线性度及输出能力都有很大的改善，提高了系统的稳定性。LDMOSFET器件MRF373增益典型值13 db；工作承受的高驻波比可达（VSWR=10：1），有平滑的饱和曲线利于数字电视RF信号的放大；具有承受较大驱动的能力，适用于COFDM调制方式下的多载波信号；偏置电路设计容易，不必考虑正温度补偿。

MRF373的设计工艺采用了砷化镓制造技术，器件的封装为直接接在衬底上，没有氧化铍隔离层，提高了导热性能，器件的使用寿命得到了很大的延长。它具有负温度效应，受热时漏电流将自动匀流，不会形成局部热点，因此器件不容易损坏。因为器件具有自动匀流作用，所以在饱和区段（1db压缩点）其输入输出曲线下弯处比较缓，展宽了动态范围。小信号放大时接近线性，交调失真很小，校正电路设计简单。

二、电路设计

1、平衡放大器电路结构

功放电路设计采用3db平衡放大器结构。虽然传统模拟功放巴伦形式的推挽电路具有阻抗变换的特点，偶次谐波可以得到很好地抑制，但巴伦结构的两路射频信号的隔离度差，可能产生彼此影响，信号的输入和输出的驻波比大，性能稳定性差。3db平衡放大电路结构形式和巴伦结构相似，但它增加了3db电桥，提高了两路射频通道的隔离度，容易实现端口匹配，输入和输出的反射小，噪声低，元器件的离散性对放大电路影响不大。3db平衡放大电路的原理结构如图1所示。

2、匹配网络设计

根据技术手册提供的信息设计LDMOSFET器件MRF373的输入和输出匹配网络结构。本功放设计为宽带（470MHz～860MHz）激励级功放，设计电路在保证满足传输系数的条件下不能带来额外的功耗，采用阻抗变换的方式对功放器件的输入输出端进行匹配。按照技术手册提供的电流/电压曲线，工作电压（VDD），输出功率确定功率器件的漏极负载RL。根据共轭原理和公式RL=2（VDD-VDS）/2P，P为输出功率，VDS为拐点静态电压，计算出MRF373的负载阻抗RL大约为6Ω。本电路利用分立元件和分布参数结合的方法设计输入输出匹配网络，为了降低热损耗，利用高阻抗传输线代替电感。功率器件的输入/输出阻抗匹配网络如图2所示。

3、偏置电路设计

由减法器、稳压块、过压保护、分压网络和负反馈电路组成了直流偏置电路为功率器件MRF373提供直流偏置。来自开关电源的+24V电压通过15V稳压块稳压成+15V作为负反馈电路和减法器运放的电源VCC。運算放大器LM7171和外围电路构成了减法器，分压电阻和电位器构成分压网络。直流+15V经过分压网络通过调整电位器输出电压6.8V（调整范围4.5～8V）输入至减法器的一个输入端，来自控制部分的增益控制电压输入至减法器的另一个输入端，在减法器的输出端输出3.5～6V电压控制负反馈电路，负反馈电路输出的直流电压作为功率器件MRF373的栅极偏置电压。可以通过改变分压网络的电位器来控制功放增益。

三、电路优化与仿真测试

由于数字功放必须工作在线性放大状态，因此可以采用小信号S参数分析法，通过ADS对电路小信号S参数进行仿真来获取信号增益，隔离度，匹配端口和稳定因数。仿真后进行电路优化，尽量匹配最大输出功率的负载电阻RL，先确立输出电路元器件的数值进行匹配优化，然后再确立输入电路元器件的数值进行匹配优化，在整个470MHz～860MHz的频率范围内选择最佳的匹配值，使电路在整个频带内都具有可靠地增益。

根据仿真的最佳匹配结果设计电路板，电路板的介质材料为聚四氟乙烯（介电常数为2.65），厚度为δ=0.8mm，表面覆铜厚度是0.035mm。焊接分立元件电容，外接开关电源的+24V，调整分压网络电位器确立功率器件的静态工作点在3.5～6V。使用网络分析仪测试，通过改变电容数值和位置及静态工作点，确立增益曲线和回波损耗曲线。经过多次反复调整，发现当静态工作点4.5V，静态电流1.8A时，整个电路具有较好的技术指标，此时带内平坦度低于1db，回波损耗最低，增益可达20db，交调抑制低于-35 db，信号幅度稳定，各项指标复合设计要求。

结束语：

本设计充分考虑了系统的增益、平坦度、线性和回波损耗等指标，采用了LDMOSFET功率器件MRF373来设计平衡放大电路结构，通过仿真优化和制板测试验证各项指标符合技术要求，能够满足数字发射机的激励放大要求，将有利于我国数字电视发射机技术发展。