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同轴变换器原理及射频功率放大器宽带匹配设计

殷素杰?? 杜浩?? 中国电子科技集团公司第五十四研究所?? 电磁场与微波?? 2015年02月09日 ?? 收藏0

3 设计实例

根据工程需要,运用同轴变换器宽带匹配技术设计一种多倍频程高功率放大电路,覆盖民用和军用频带,频率范围为20~500 MHz。功率管选用双管芯结构的平衡型n沟道增强型射频放大管BLF574。设计用于输出功率达350 W,功率增益大于16 dB,频率范围高HF至UHF的宽带功率放大器。在225 MHz频率左右器件的输入和输出阻抗都呈感性,输入阻抗Zs =(3.2+j2.5)Ω,输出阻抗ZL = (7.5+j4.0)Ω。

3.1 输入匹配网络

BLF574有一个相当大的输入电容,为了提供器件输入端在多倍频上的宽带匹配,必须考虑输人电容在频率高端的影响,且折中考虑中间频率及较低频率上低值输入阻抗的影响。输入匹配网络设计成2级级联的4:1同轴变换器,完成16:1阻抗变换,将5O Ω标准阻抗匹配接近于3 Ω,这个值还要通过简单的串联微带线和并联电容转换成器件的输入电阻。第1级4:1同轴变换器电缆选择UT - 047 -25,特性阻抗Zo=25 Ω,电缆长度45 mm。补偿低频响应的磁芯选择2861002402,初始磁导率ui = 125。第二级4:1同轴变换器电缆选择UT - 043 -l0,特性阻抗Zo =10 Ω,电缆长度45 mm,补偿低频响应的磁芯同样选择2861002402。输入匹配网络如图3所示。

图3 输入匹配网络
图3 输入匹配网络

3.2 输出匹配网络

输出匹配网络设计成1:4同轴变换器级联同轴“巴伦”的形式。1:4同轴变换器电缆选择UT - l4l- l5,特性阻抗Zo =15 Ω,电缆长度68 mm。补偿低频响应的磁芯选择2661540202,初始磁导率ui=125。同轴“巴伦”完成平衡至不平衡输出的转换,同轴“巴伦”电缆选型UT - 141,特性阻抗Zo =50Ω,电缆长度68 mm。匹配电阻为:R =(25×15)1/2 / 4=4.8 Ω,这个值需要通过简单的串联微带线和并联电容转换成器件的输出电阻。输出匹配网络如图4所示。

图4 输出匹配网络
图4 输出匹配网络

3.3 软件仿真及测试验证

3.3.1 软件仿真

将功率放大管的输入阻抗和输出阻抗各自假设为随频率变化的可变阻抗,按照宽带网络阻抗近似匹配法进行阻抗匹配,使用软件工具Ansoft-Serenade 8.7,分别建立以同轴阻抗变换器为模型的输入和输出宽带匹配网络,匹配端口均为标准50 Ω特征阻抗,匹配目标为输入或输出端口电压驻波比VSWR ≤2:1。利用频率参数扫描曲线,经调整优化各同轴电缆长度及特性阻抗、串联微带线的长度和并联电容的值得出宽带内理想的驻波一频率特性曲线。

3.3.2 测试验证

对根据以上设计完成的实际电路进行测试,在20~500 MHz频带内,输入回波损耗≤1.95:1,输入功率10 W 时,放大器的最小输出功率>350 W。测试结果表明,放大器的性能状态良好,所设计的同轴变换器匹配网络满足宽带匹配及功率要求。

4 结束语

同轴电缆阻抗变换器及其组合可以实现高的阻抗变换比,而且具有承受功率容量大、传输频带宽和屏蔽性能好的特点,结合少量集中参数元件组成匹配网络,实现了多倍频程功放的宽带匹配,有望解决一套发信机配备多台窄带功放的问题。该宽带匹配方法可以广泛使用于HF/VHF/UHF波段,具有良好的工程应用价值。

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射频功率放大器? 宽带匹配? 同轴阻抗变换器? 阻抗变换比?

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