摘 要：該文介紹一種短波高效功放的設計方法，首先介紹該設計的應用背景，然后根據(jù)實際使用需求給出總體設計方案，隨后詳細介紹功放動態(tài)高效能技術的具體實現(xiàn)方法，最后通過實際測試，驗證該設計的有效性和實用性。

關鍵詞：短波;功率放大器;效率;包絡;靜態(tài)工作點

中圖分類號： TN837 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）30-0108-04

Abstract： This paper introduces a design method for a shortwave high-efficiency power amplifier. First， it introduces the application background of the design， and then gives the overall design plan according to actual use needs. Then， it introduces in detail the specific implementation method of the dynamic high-efficiency technology of the power amplifier. Finally， it verifies the effectiveness and practicality of the design through practical tests.

Keywords： shortwave; power amplifier; efficiency; envelope; static operating point

短波發(fā)射機承擔著短波通信的信號發(fā)射重任，是短波通信系統(tǒng)的重要組成部分[1-2]。由于使用條件所限，大功率短波發(fā)射機一般需要長期部署于無人值守的發(fā)信臺，具備頻繁換頻和長時間在線工作的功能，為系統(tǒng)提供高可靠的短波發(fā)信資源。本文就是在此背景下，以400 W短波發(fā)射機為例，介紹一種實現(xiàn)短波高效功放的設計方法，使其具備長期可靠工作的功能，滿足系統(tǒng)常態(tài)化保障需求，降低維護保障需求，并在實際測試中得到了良好的驗證。

1 總體設計方案

短波高效功放的主要設計指標：由傳統(tǒng)的整機效率典型值30%提升到不小于40%。對于400 W短波發(fā)射機來說，功率放大器是功耗最大的模塊，其工作效率決定了整機的工作效率，同時影響整機的電源消耗和熱散耗。功放管的工作電流和工作溫度影響其可靠性水平，功率放大器工作效率提升直接帶動了整機可靠性提升。因此，發(fā)射機采用功放動態(tài)高效能技術提高整機可靠性。

功放動態(tài)高效能技術是指通過識別發(fā)射機不同工作模式、基帶信號特性和輸出功率等級，然后動態(tài)調節(jié)功率放大器的靜態(tài)和動態(tài)的工作點[3]，在保證發(fā)射指標要求的同時，又能使其工作效率也處在一個較高水平的一種技術。系統(tǒng)采用功放動態(tài)高效能技術后，功率放大器及其核心的功放管處于一個較為穩(wěn)定的理想負荷狀態(tài)，功率放大器的整體可靠性也因優(yōu)化了工作點和工作負荷從而得到提升，信號質量和工作效率達到一個較為完美的平衡。功放動態(tài)高效能技術包括動態(tài)包絡跟蹤技術和靜態(tài)工作點適應性調節(jié)兩項技術。

功放模塊以功率放大器[4]為核心，其外圍電路主要包括狀態(tài)檢測電路、保護電路和控制電路幾部分。其中狀態(tài)檢測電路包括輸入輸出功率、輸入電壓電流和溫度檢測;保護電路有輸入功率限制、電源供電切斷和功放使能切斷措施;控制接受激勵模塊的狀態(tài)控制信號和檢測電路的信號，通過硬件的判定，進行功放狀態(tài)設置、硬件保護和狀態(tài)上報工作?？傮w設計方案如圖1所示。

2 技術實現(xiàn)

2.1 動態(tài)包絡跟蹤技術

當線性功放[5-6]工作在甲乙類推挽狀態(tài)時，有

， （1）

式中：Vop為輸出電壓峰值，其輸出功率為

電源功耗為

可得效率

由式（3）可知，當輸出功率Po一定時，輸出的峰值電壓Vop也就確定了。由式（4）可知，電源功耗在Vop一定的情況下只和供電電壓Vcc有關系，Vcc越大，Pv就越大，Vcc越小，Pv就越小，功率放大器的效率也就越高，如圖2所示。

由式（5）可知，功率放大器的效率和功放的輸出電壓峰值及功率放大器的供電電壓有關，當Vop一定時，功率放大器的效率隨著供電電壓Vcc的增大而減小，當Vcc滿足Vop驅動需求時，Vcc越小則功率放大器的效率就越高。

當功率放大器進行非連續(xù)波的放大時，其波形峰值隨機變化，如圖3所示。

圖3上半部分為傳統(tǒng)功率放大器的供電電源（功放管漏電壓）和熱散耗情況，下半部分為加入包絡跟蹤技術后的功率放大器的電源供電和熱散耗情況。由此可見，當功放管的漏極電壓跟隨信號包絡波形趨勢進行實時調節(jié)，并滿足功率放大驅動需求時，可以大大降低功率放大器的熱散耗功率，從而提高功率放大器的效率。

由于需保證功率放大器的非線性，功率放大器一般工作于一定的功率回退狀態(tài)。表1為在通過公式計算的推挽放大器理論最大效率和在有無包絡跟蹤技術的功率回退3 dB時的效率以及在輸出峰包功率400 W時的功耗值。

在本文的設計中，控制電路根據(jù)發(fā)射機不同工作模式、基帶信號特性和輸出功率等級設定供電電壓的動態(tài)調整范圍即電壓最大值和電壓最小值。數(shù)字化激勵器輸出的基帶包絡信號通過硬件電路對峰值范圍調整，由于基帶包絡已經過自動增益控制，所以只需基帶包絡的峰值平移到電壓最大值上即可。經過峰值范圍調整的控制包絡信號再與設定的電壓最小值進行混合處理，將控制包絡信號小于電壓最小值的部分使用電壓最小值代替，即得到控制電源電壓輸出的線性控制信號。該部分過程如圖4所示。

2.2 靜態(tài)工作點適應性調節(jié)技術

對于功率放大器來說，每個輸出功率狀態(tài)在針對某個指標時都有一個最優(yōu)的靜態(tài)工作狀態(tài)，這就是功放管的靜態(tài)工作點。當功率放大器的工作在邊帶包絡工作模式時，輸出的功率就會隨時間的變化而變化。如果能夠針對功率放大器的實時輸出功率狀態(tài)同步調節(jié)功放管的實時靜態(tài)工作點，那么將能保證功放管一直工作在這個效率最優(yōu)的狀態(tài)。功放管輸出特性曲線如圖5所示。

由圖5可見，柵源電壓UGS越大，漏極電流ID就越大，預夾斷所需電壓UDS也越大，當功放管工作在放大區(qū)時，選擇越大的UGS，漏極電流ID就越大，功放管的耗散功率就越大。當功率放大器輸出功率一定時，選擇不同的靜態(tài)驅動電流，功率放大器的輸出效率也就不同，因此需要根據(jù)功放管的直流特性選擇一組隨著功率放大器功率變化而變化的靜態(tài)工作點，從而保證效率最高。

如圖6所示，假設功率放大器的靜態(tài)工作點在Q點，功率耗散為PC，當電壓為Uom1時，輸出功率為

效率則為

當電壓為Uom2時，輸出功率為

效率則為

由式（6）和式（7）可以知道，當輸出功率Po1比Po2大時，效率η1比η2小。這說明當輸出功率改變時，如果靜態(tài)工作點不改變，那么功率放大器的效率也是跟著變化的。因此靜態(tài)工作點適應性調節(jié)就是在功率放大器輸出功率改變時，同步改變功放管的靜態(tài)工作點，減少功率放大器的耗散功率PC，以此來保持較高的效率。

設定功率放大器的最大供電電壓為Umax，理論上電源包絡的理想最小值Umin應為0 V。實際上由于Umax與Umin的比值越大，電源所能實現(xiàn)的整體效率越低，而且由于電源輸出內阻的存在，導致無法在小輸出電壓下提供穩(wěn)定的大電流。同時，功放管寄生特性會隨供電電壓的下降幅度急劇惡化，如圖7所示，其中Ciss為輸入電容，Coss為輸出電容，Crss為反向傳輸電容。綜合上述條件，將Umin設置為1/2Umax可以達到較為理想效果。

在以上設計中，需對電源調整擺率和響應時間做出相應的要求。電壓擺率可由下式算得

SR=2πUp f， （8）

式中：UP為電壓擺動峰值，即功率放大器的最大供電電壓減去最小供電電壓，當前設計值為25 V;f為工作頻率，當f以MHz為單位時，電壓擺率SR的單位為V/μs。按音頻包絡帶寬3 kHz計算得出SR=2π×25×0.003≈0.48 V/μs。

電源對包絡變化的響應延時會造成射頻信號包絡與電源包絡的相位不一致，即射頻包絡上升沿供電不足，而下降沿供電過剩。按包絡周期330 μs（3 kHz）計算，電源延時產生的相位差應做到5°左右較理想，則響應時間應小于4.5 μs。

3 結論

選取具有代表性的頻點對使用動態(tài)高效能技術的400 W短波發(fā)射機開展了測試驗證工作，具體結果見表2。

由表2可知，功放高效能技術的應用使400 W短波發(fā)射機整機效率由原先30%的典型值提高到40%左右，平均提升約8%～10%，且在全部工作頻段內具有較小的波動，實用效果達到預期，可用于新一代低功耗、高可靠短波發(fā)射機研制。

參考文獻：

[1] 任國春.短波通信原理與技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2020：3-26.

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[3] 康華光，陳大欽.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1999：67-72.

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[5] 李孝生.短波功率放大器線性化技術研究[D].西安：西安電子科技大學，2014.

[6] 王建兵.功率放大器的線性化實現(xiàn)技術[D].南京：東南大學，2006.

作者簡介：李宗強（1982-），男，碩士，高級工程師。研究方向為無線通信。