GSM-R高线性度功率放大器的设计(可编辑).docx

第4章 GSM-R高线性度功率放大器的设计在大的功率输出条件下实现高的线性度是功率放大器设计的难点和重点，尤其在高铁直放站中，对线性度的要求达到-60dBc，这给设计带来了挑战性。因此，采用低成本的方式实现高性能的线性度成为设计的瓶颈。本设计采用功率回退与预失真及双平衡输出级相结合的设计以实现GSM-R功率放大器模块的高线性度指标。4.1 GSM-R高线性度功放设计方案功率放大器模块的主要功能是将微弱的小信号放大到特定电平上以驱动某一负载如天线。本文的主要任务是研制一930MHz、适用于GSM-R铁路系统的高线性度功率放大器模块。为实现大功率输出，主功放级需要有足够高的激励电平，本设计采用前置放大器、驱动级、主功放级三级级联以实现大功率输出。功率放大器模块的功能框图如图4.1示。图4.1 功率放大器模块的功能实现框图本模块的放大级由前置放大器、驱动级及主功放级构成，输入滤波器滤除输入信号的杂波，数控衰减器和自动电平控制模块保证输出信号幅度的稳定，输出微带隔离器隔离负载变化对主功放级的影响，设计中增加输入输出驻波比的检测，并使用MCU对模块的温度采样报警，进一步确保功放模块的稳定和可靠性。GSM-R光纤直放站功率放大器模块的具体指标要求如下：工作频带：930～934MHz最大增益：55dB带内波动：1.0三阶交调：62dBc（@=0.6MHz，双音信号输出功率10W）驻波比：1.4工作温度：-25～55℃具有输入、输出功率以及输出驻波比检测功能4.1.1 器件、印制电路板的选择射频功率晶体管是整个功率放大器模块的核心，要想使所设计的模块达到预期的性能，首先必须选择合适的功率晶体管和元器件并设计相应的辅助电路。通常需要综合价格、可靠性和电气性能等方面的因素来选择功率晶体管。在第2章和第3章中已经对LDMOS功率晶体管的特点以及固态功率放大器的一些线性化方法进行了详细的探讨。LDMOS功率晶体管具有功率增益高、良好的线性度、高可靠性以及优良的热性能等特点，具有非常高的性价比，非常适合用于设计GSM-R光纤直放站功率放大器，因此选择LDMOS功率晶体管作为驱动级和主功放级放大管。为此本设计选择飞思卡尔公司的MHVIC915NR2和MRFE6S9060NR1分别作为功率放大器模块的驱动级和末级功率管。我们希望功率放大器模块的第一级放大器噪声系数小，增益适中，电路也不要太复杂，所以我们采用了WJ通讯公司的AG604，它在900MHZ提供21dB的增益，噪声系数3.5dB，满足所需指标。小信号数控衰减器选择的是HITTITE公司的HMC273MS10G，该数控衰减器在900MHz具有衰减精度高、插损小、线性度好等优点。自动增益控制由压控衰减器来实现，目前压控衰减器大多采用PIN二极管设计，可以集成在一片IC中，我们选择MA-COM公司的MA4P274：4PIN二极管构成的π型衰减器。为了使得功率放大器的输出端具有良好的驻波比，较小负载失配对功率放大器模块的影响，在功率放大器模块的输出端加入环形隔离器。同时，需要加入功率检测电路来检测输入功率、前向输出功率和反射功率，提供输出驻波比检测功能。确定好主要的元器件之后需要确定承载这些元器件的印制电路板材，综合考虑电路工作频率、可靠性、稳定性、散热、性价比等因素，驱动级和末级功率放大器的板材使用F4B。F4B介电常数、损耗、温度系数都有较好的表现。综合考虑价格和性能，数字控制电路模块选择FR4板材，该板材易于加工且价格便宜，适合数字控制电路模块对板材要求不高的场合。4.1.2 方案的评估与论证选定元器件与板材后，在具体的电路设计之前，须先对模块（系统）的整体方案进行评估与论证。只有在理论上具有可行性，才有可能保证研制出的产品达到预期的性能。1.增益的估算整个系统的最大增益要求为55dB，AG604-89在900MHz可提供21dB的增益，MHVIC915NR2可提供31dB的增益，而MRFE6S9060NR1可提供19dB的增益，可知整个增益级的总增益可以达到71dB。数控衰减器在直通时的增益为-2dB，自动电平控制可提供1～40dB的衰减，模拟预失真的增益损失约在7dB，我们可算出这个系统的最大增益约为61dB，自动电平控制电路可保证整个系统的最大增益稳定在55dB。系统要求的最大输出功率为40dBm（10W），数控调节范围为1～30dB，则输入功率范围为-14～15dBm。功率放大器入口处的最大输入功率可达到15dBm，因此必须保证功率放大器模块在最大输入情况下也能够正常工作，同时也为了保证整个系统的线性度，数控衰减器须工作在线性区。HITTITE公司的数控衰减器HMC273MS10G输入0.1dB压缩点为27dBm，可知数控衰减器可当完全线性化的模块使用。系统要求的数控调节误差1.0dB，HM