作者：侯世淳schou18@163.com、韩冰id22soso@163.com

1  引言

通信技术的发展和数字调制方式的日新月异，给线性功率放大器提出了越来越高的要求。数字调制方式给功放引入了峰均比指标。比如OFDM要求10dB的峰均比，就是说，功放输出平均功率10W时，其峰值线性输出功率高达100W,这需要高功率放大器来实现。

高功率放大器需要做的工作是：

1） 提高效率，降低功耗；

2） 设置完备的保护电路，防止内外因造成的异常状态，烧毁放大管；

3） 认真做好热设计， 提高放大管的可靠性；

4） 为降低连接损耗，将收发开关和功放做在一起。

提高效率，除了在电路设计中合理设计匹配电路外，需要使用高效率高增益的放大器件，用较少的放大器级数达到要求指标。

设置保护电路的关键，是采用反应速度快的传感器和控制电路，及时采样、判别和动作，保护放大管。

良好的热设计是确保功放可靠性的关键，必须尽量减少和降低热路的热阻。

高功率收发开关必须使用合适的功率PIN管、良好的散热和开关驱动电路。

本文通过200W功率放大器/收发开关组件的设计和制作，叙述了解决这些问题的考虑，最终给出电路测试性能。

 2  设计方案

图1是200W功率放大器/收发开关组件的设计方案。输入端设置线性模拟衰减器，衰减范围40dB,可用

图1   200W功率放大器/收发开关组件框图

0-5V直流电压连续控制放大器的增益（即输出功率）在40dB范围内变化。放大链路由三级放大器构成。总放大量约50dB,输出线性功率大于200W。输出定向耦合器监测输出功率，RF监控输出端输出比主通道低50dB的射频信号，另外功率检测器输出对应射频输出功率的检波电压。谐波滤波器抑制输出谐波信号，确保谐波输出低于-60dBc。收发开关及驱动电路高速切换收发通道，并确保发射通道与接收通道的隔离，防止发射功率烧毁接收机。

 保护电路包括：过温保护、过流保护和过载保护。过温电路监测电路的温度，当温度达到设定温度时，切断功放电源；过流保护监测末级放大器的漏极电源电流，当电流到达设定值时，切断功放电源；过载保护电路监测放大器输出端的电压反射系数，当放大器负载的反射系数（不是反射电压）达到设定值后，切断电源，防止放大管被烧毁。同时，控制电路中还设置了发射机连锁保护，即功率放大器必须同时得到收发开关的“开”和功放开关的“开”指令后，才能加电工作；但只要收发开关“关闭”或功放开关“关闭”指令中，有任何一个出现，就会关闭放大器。

 3 电路设计

 3.1 放大链设计

根据输出功率和增益指标要求，选用高增益放大器件，构成放大链，图2是放大链路的功率预算方案^【1】。

图 2 . 功率放大器的功率预算

 采用三级放大器构成放大链路。第一级增益级采用InGaP HBT通用放大器；第二级推动级使用常规MOSFET管放大器；第三级末级功率放大级选用高增益推挽LDMOS FET管放大器。

      图 3 . 放大链电原理图

 第一级是MMIC放大器芯片，无需设计匹配电路。第二级和第三级选择非匹配FET管，需要设计输入输出和级间匹配电路，以达到功率预算设置的技术指标。

 使用设计软件，对放大器电路进行仿真优化，以及改进调整，再仿真优化，最终得到电路拓扑，见图3。

 3.2 功率监测与反射监测电路设计

  电路配置见图4。在功率放大器输出端接耦合度为-30dB的定向耦合器，耦合端4提取一部分功放输出功率Pin，耦合端3提取来自输出端的反射功率Pr。提取的功率经衰减后进入双通道功率检测器。

 图 4 . 功率监测与反射监测电路框图

4端的信号经幅度调整后一部分以低于主通道信号50dBc的幅度，从射频监测端输出；另一部分进入双通道检测器（图5）A通道，在这里，一部分信号经RMS检测器，输出检波电压。该电压正比于对数输入功率（即dBm），用于功放输出功率监测和控制。另一部分信号进入差分放大器的同相端IN+。由组件输出端反射回来的功率Pr，即负载失配造成的输出功率反射波，经耦合器耦合， 从3端输出，通过

图5 . 双通道功率检测器

幅度调整到达双通道检测器的B通道，经RMS检测器到达差分放大器的反相端IN-。定向耦合器要有足够的隔离度，确保在4端口的输出功率取样与在3端口的反射功率取样各自独立。由于RMS检测器的输出电压与功放输出功率（dBm）成线性关系，检测器内的差分放大器将A通道电压Uo和B通道电压Ur做差分放大，输出电压：

      U = k (Ur-Uo)

 由于两RMS检测器输出电压与功放输出功率的对数关系，该输出电压就是反射系数Γ，通过反射系数与电压驻波比VSWR的关系：

      

双通道检测器的差分输出电压就是VSWR。图6是双通道检测器在880MHz频率，两路RMS检波输出信号与输入功率的关系，以及线性误差。可见检测器在约50dB的动态范围内有很好的线性特性。

 图 6 .双通道检测器输入功率/输出电压等关系

 3.3 谐波滤波器

谐波滤波器是一只低通滤波器，对工作频率的二次谐波有足够的抑制度。考虑到高功率工作，在满足指标条件下，尽量减少级数，降低损耗，实际电路用集总LC电路实现。见图7。

 图 7 . 谐波滤波器

 3.4 高功率TR开关

高功率收发开关由收发开关射频电路，高压电源和开关驱动器构成^【2】，用于切换发射和接收通道。在发射时要确保有足够的收发隔离，保护接收机不被发射功率烧毁；在接收时，确保有低插损，降低接收噪声。高压电源为开关管提供足够的反向偏压，防止发射时的射频高功率使接收支路的开关管导通。驱动电路将TTL开关控制信号转换为一定驱动功率，快速转换开关管的工作状态，达到切换收发通道的目的。

3.4.1   高功率TR开关

使用功率PIN二极管做开关器件，控制射频高功率。TR开关的原理图见图8。发射支路采用一只串联管，降低插损，接收支路使用串、并联四管电路，提高收发隔离度，同时确保较低的插损。

图8 . 高功率TR开关

开关的高功率部分是TR开关组件，见图9，使用薄膜电路和微组装工艺制成。开关管芯片直接安装在薄膜电路上，用金带引线与电路互连。实测TR开关组件可以在300W射频功率下正常工作。电路的发射通道插损小于0.5dB(包括谐波滤波器)，接收通道插损典型值小于0.5dB,收发隔离优于70dB。

图 9 . TR开关组件

3.4.2   高压电源

高功率收发开关在工作时，PIN管上有直流控制电压和射频电压。在发射状态，接收通道的串联PIN管必须处于反偏状态，射频高功率产生的电压摆动不能使PIN管出现正向导通。经计算，设定PIN管反偏电压为100V时，可以确保收发开关在最高射频功率下安全工作。

   图 10 . 升压开关电源

采用TPS40210 Boost控制器制成升压开关电源，见图10，为PIN管提供高压偏置，输出电压100V，效率95%以上。

3.4.3   开关驱动器

 开关驱动器的作用是将输入TTL控制信号，转换为PIN管正常工作所需的正向电流（60-100mA）和反向电压（100V）,并且要确保PIN管开关的切换速度满足指标要求（小于20us）。

 图 11 . 单路开关驱动器

图11是单路开关驱动器原理图，当TTL控制信号为高电平时，驱动器输出-5V正向偏压，开关PIN管导通；当TTL信号为低电平时，驱动器输出+100V反向偏压，开关PIN管截止。

TR开关用两路驱动信号，一路A另一路B，互为反向。用一路TTL信号，经反向器（非门）分别控制两路驱动器，从而控制收发开关工作。图12是两路驱动器输出端的开关驱动信号波形。

   

图12 收发开关驱动器驱动信号波形

 3.5 功放保护电路

保护电路的作用是在由于内外因引起放大器工作状态异常时，切断电源，保护放大管免于烧毁。另外还防止放大器异常开机，烧毁其它电路，比如接收机。

保护电路可以使用传感器、微处理器和控制程序实现，但这种方法的反应速度较慢。我们采用传感器、运算放大器和逻辑电路实现，当出现异常时，可以非常迅速地启动保护电路，有效保护了放大管。

功率放大器电路选用增强型FET管，需要在栅极施加高于门限电压的栅压后，放大管才能工作。所以，利用控制栅压的方法，控制放大器的工作与否。保护电路启动后，切断栅压，也就关闭功放。

3.5.1   过温保护电路

   当功放的工作状态异常（比如散热不良），使功放温度不断上升，达到设定最高工作温度时，启动保护电路。过温保护电路有温度传感器器、判别电路和功放控制电路构成，见图13。温度传感器置于末级放大管附近，便于及时感知主热源的温度，迅速控制。判别电路是一个比较器，当传感器输出电压（对应温度）高于设定的参考电压时，比较器翻转，输出反极性电压（低电平），功放控制电路动作，切断功放电源。

 

   图 13 . 过温保护电路

3.5.2   过流保护电路

 过流保护电路框图见图14。功放的44V主电源通过霍尔电流传感器给放大器供电，传感器感知并输出

图 14 . 过流保护电路

与通过电流成比例的电压，判别电路将这一电压与设定电压（与最大工作电流对应）做比较。当功放的工作电流超过最大允许电流时，判别电路的比较器翻转，功放控制电路工作，切断功放电源。

3.5.3   过载保护电路

过载保护指功放负载过载（强失配）保护。因为出现强失配时，大部分输出功率被反射回功放，末级管输出端的射频电压有可能加倍，造成放大管烧毁。在低功率时，虽然放大管不会被被烧毁，但系统处于异常状态，也不能正常工作。

图 15 . 过载保护电路

在3.2节已叙述，图4电路可以监测功放组件负载的VSWR，将图15中双通道检测器的VSWR输出电压接判别电路，在这里与参考电压（最大允许VSWR）比较。如果外电路失配超过最大允许VSWR，判别电路比较器翻转，功放控制电路切断功放电源。

3.5.4   保护电路设置及连锁保护电路

 这是一个逻辑电路，见图16。三个保护电路的输出接或门输入，正常工作时，三个保护电路输出高电平，或门输出高电平，如果功放开关信号ONOFF和TR开关切换信号PTT均为高电平，与门输出高电平，栅极驱动器输出高电平驱动电压，功放管导通工作。如果出现异常，只要有一个保护状态出现，或门输出拉低，则与门输出也拉低，栅极驱动器输出拉低，放大管关闭。图中保持电路作用是保持保护状态，因为保护状态启动后，故障状态消失，会出现再次启动功放现象。保持电路维持故障状态，直到排除故障后，切换一次TR开关状态，电路才复位。

图 16 . 保护控制逻辑图

 与门的三个输入，只要有一个是低电平（异常），与门就输出低电平，栅极驱动电路输出拉低，功放不工作。所以必须在功放开关指令和TR开关指令同时存在时，才能打开功放，防止功放异常开启，烧毁接收机现象出现。

 这种保护电路的反应速度很快，实测从判别电路启动（以过流保护为例），到栅极驱动电路拉低栅压，切断放大器电流，只用1us时间，见图17。图中Over-current是过流保护判别电路的输出，protect是图16中与门输出，VGS是栅极驱动器输出。当电路出现异常状态，只要功放管能支撑1us时间不烧毁，保护电路就可以启动保护。

 图 17 . 过流保护时序

 4 电磁兼容设计和热设计

 所有电子设备和电路都应考虑电磁兼容和热设计问题。对于高增益和高功率电路，尤为重要。

 4.1 电磁兼容设计

在放大器电路中，元器件之间的互耦，电源线去耦不足以及空间耦合传播的影响，轻者造成电路特性变化和不稳定，重者引起电路自激，甚至烧毁放大管。腔体屏蔽不好还会产生电磁泄漏，影响外围其它电路的正常工作。所以做好电磁兼容设计非常重要。

 在设计和电路排版时，我们充分考虑到相邻或非相邻电路的互耦，以及电源的去耦滤波，同时将各级放大器放在独立的腔体中。参考图18，第一级放大器与第二级放大器之间的功率电平不高，所以用简单的开口(图18中篮圈1)连接两级电路。第二级放大器与第三级以及第三级放大器输出，由于功率较大，都是用小开口连接两个腔体(图18中篮圈2和3),尽量降低腔体之间的互耦。电源控制板与射频板之间的电源与控制线用穿心电容连接。

 4.2 热设计

   200W功放在额定输出功率时的总效率优于46%，这样就有约64%的功率即280W的直流功率变成了热，当输出功率低时，效率更低。所以，电路热设计的好坏直接影响到电路电性能和可靠性。末级放大管是高增益LDMOS管，也是电路的主要热源，其次是TR开关和推动级放大管。功放的腔体材料是铝合金，具有重量轻，成本低和导热性好的特点，广泛用于各种电子电路的盒体材料，其导热率约220W/m·K,但铜的导热率高达398W/m·K，比铝合金高出近一倍。所以我们局部使用铜底座，同时用锡焊料将放大管直接焊在铜底座上，大大降低了FET管芯片与散热器之间的热阻，确保放大管在工作时能够迅速导出产生的直流功耗，芯片能在安全的结温下工作，充分发挥其能力，提高了电路的可靠性。

 5 电路性能测试

图18是功放/收发开关组件的照片。电路的各个部分用隔板分隔，共有7个隔腔。分别是：第一级放大器（红框1）、第二级放大器（红框2）、第三级放大器（红框3）、谐波滤波器和TR开关组件（红框4）、功率监测和VSWR监测（红框5）、TR开关及开关驱动器（红框6）和电源控制电路（红框7）。射频输入端口在左面，射频输出端口、接收端和射频监控端在右面，电源和控制端口在上左面。

电路的主要性能（见图19）如下：

小信号增益：       优于49dB

增益起伏：         < ±0.6dB

输出功率1dB压缩点：> 53dBm

效率(额定输出功率)：> 46%

IM3(双音输出功率各为50dBm):≤-19dBc

接收插损(典型值)： ≤ 0.5dB

图 18 . 200W功率放大器/收发开关组件

收发隔离：    > 70 dBc

增益控制量：  > 40 dB

谐波输出：    < -60 dBc

功放开关速度：≤ 20us  (53dBm输出时)

电路的过温、过流和过载保护电路工作正常。过载保护与负载的匹配状态相关，与输出功率无关。

图19 . 200W功率放大器/收发开关组件特性

图20是电路在中心频率处的输出功率-监测检波电压特性。

图 20 . 输出功率-功率监测检波电压特性

图21是电路在中心频率处的增益-控制电压特性也就是输出功率受控特性。

 图21 . 增益-控制电压特性

 6 结论

简述了P波段200W功放/收发开关的设计和测试特性。介绍了高功率射频电路的设计要点和注意事项。测试结果表明电路基本达到设计要求，如果精心调试，可以进一步提高性能。由于本电路有高电压（相对GaAs器件）和大电流，在设计时对各部份的匹配、功耗和散热要仔细处理，电路涉及微波混合集成PCB电路、薄膜电路、射频微组装、开关电源和逻辑控制电路等技术，是一项综合性技术。原计划将预失真电路做在一起，可以提高放大器的线性特性，在图18电路结构中预留了位置。这也是我们下一步要做的工作。

 

7 感谢

在电路研发过程中得到一些同事的无私帮助，在此表示谢意。感谢黄培雄高工对开关驱动电路提出有益的建议，解决了驱动器控制问题；感谢邱胡振工程师对TR开关高压电源做了关键性的调整，使电源正常工作，研发工作才得以顺利进行。

 

8 参考文献

 [1] Edited by John L.B. Walker ,《Handbook of RF and Microwave Power Amplifiers》,CAMBRIDGE UNIVERSITY  PRESS ,2012.

[2] J . F. 怀特 著, 王晦光, 黎安尧等译, 《微波半导体控制电路》 科学出版社 ，1983.