短波功率放大器
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【摘要】文章介绍了短波功率放大器的几个主要指标，并讲述了在具体应用中如何实现短波功率放大器线性调整。
【关键词】增益 互调失真 驻波比 线性
The shortwave power amplifier
Sun Weiyan
【Abstract】In this article, the author has made a introduction on several main index of the shortwave power amplifier and also has made a narration on how to actualize the linear adjustment of the shortwave power amplifier.
【Keywords】GainIntermodulation distortionStanding-wave ratioLinearity
1．短波功率放大器的几个主要指标参数。
1．1频率适用范围：频率适用范围指短波功率放大器的实际使用工作频率范围（1.6~30MHz）。放大器实际的工作频率范围可能会高于指标要求频率范围。一般用F表示。
1．2增益：指功率放大器输出功率与输入功率的比值，单位常用“dB”表示。
1．3增益平坦度：指在一定温度下，在整个工作频率范围内，放大器增益变化的范围。增益平坦度可由下式计算得出：
1．41dB压缩点下功率：放大器有一个线性动态范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加。这种放大器称之为线性放大器，这两个功率之比就是功率增益G。随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加，也就是说，其输出功率低于小信号增益所预计的值。通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点，用P1dB表示。（见图3）
典型情况下，当功率超过P1dB时，增益将迅速下降并达到一个最大的或完全饱和的输出功率，其值比P1dB大3－4dB。
1．5功率放大器噪声系数：噪声系数是指输入端信噪比与放大器输出端信噪比的比值，单位常用“dB”。
噪声系数由下式表示：NF＝10lg（输入端信噪比/输出端信噪比）
在放大器的噪声系数比较低（例如NF<1）的情况下，通常放大器的噪声系数用噪声温度（T）来表示。
噪声系数与噪声温度的关系为：T＝（NF－1）T0或NF＝T/T0+1
T0－绝对温度（290K）
1．6功率放大器三阶互调：测量放大器的非线性特性，最简单的方法是测量1dB压缩点功率电平P1 dB。另一个颇为流行的方法是利用两个相距5到10MHz的邻近信号，当频率为f1和f2的这两个信号加到一个放大器时，该放大器的输出不仅包含了这两个信号，而且也包含了频率为mf1+nf2的互调分量（IM），这里，称m+n为互调分量的阶数。在中等饱和电平时，通常起支配作用的是取接近基音频率的三阶分量（见图4）。
图为三阶截点到畸变十分严重的点都起着支配作用，所以常用三阶截点（IP3）来表征互调畸变（见图3）。三阶截点是描述放大器线性程度的一个重要指标。三阶截点功率的典型值比P1 dB高10－12 dB。IP3可以通过测量IM3得到：
IP3＝PSCL＋IM3/2；
PSCL――单载波功率；
如三阶互调点已知，刚基波与三阶互调抑制比与三阶互调点的杂散电平可由下式估计：
基波与三阶互调、抑制比＝2［IP3－（PIN+G）］
三阶互调杂散电平＝3（PIN＋G）－2IP3
1．7驻波比（VSWR）：短波功率放大器通常设计或用于50阻抗的短波系统中输入/输出驻波表示放大器输入端阻抗和输出端阻抗与系统要求阻抗（50）的匹配程度。
用下式表示：VSWR＝（1+｜Г｜）/（1－｜Г｜）
其中Г＝（Z-Z0）（Z+Z0）
Г：反射系数
Z：放大器输入或输出端的实际阻抗
Z0：需要的系统阻抗
1．8放大器工作电流/电压：指放大器工作时需要供给的电源电压和放大器工作时要求供给的电流值。
2．实现短波功率放大器线性化的常用技术。射频功率放大器的非线性失真会产生新的频率分量，如对于二阶失真会产生二次谐波和双音拍频，对于三阶失真会次谐波和多音拍频。这些新的频率分量如落在通带内，将会对发射的信号造成直接干扰，如果落在通带外将会干扰其他频道的信号。为此要对射频功率放大器进行线性化处理。实现射频功放线性化的常用技术有三种：降额、预失真、负反馈。
2．1降额技术：这是最常用的方法，即选用功率较大的管子作小功率管使用，实际上是以牺牲直流功耗来提高功放的线性度，也称功率回退法。
功率回退法就是把功率放大器的输入功率从1dB压缩点（放大器有一个线性功态范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加。随着输入功率的继续增大，放大器渐渐进行饱和区，功率增益开始下降，通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点，用P1dB表示。）向后回退6－10分贝，工作在远小于1dB压缩点的电平上，使功率放大器远离饱和区，进入线性工作区，从而改善功率放大器的三阶交调系数。一般情况，当基波功率降低1dB时，三阶交调失真改善2dB。
功率回退法简单且易实现，不需要增加任何附加设备，是改善放大器线性度行之有效的方法，缺点是效率大为降低。另外，当功率回退到一定程度，当三阶交调制达到－50dB以下时，继续回退将不再改善放大器的线性度。因此，在线性度要求很高的场合，完全靠功率回退是不够的。
2．2预失真技术。预失真就是在功率放大器前增加一个非线性电路用以补偿功率放大器的非线性失真。
预失真技术分为RF预失真和数字基带预失真两种基本类型。RF预失真一般采用模拟电路来实现，具有电路结构简单、成本低、易于高频、宽带应用等优点，缺点是频谱再生分量改善较少、高阶频谱分量抵消较困难。
数字基带预失真由于工作频率低，可以用数字电路实现，适应性强，是一种很有发展前途的方法。这种预失真器由一个矢量增益调节器组成，根据查找表（LUT）的内容来控制输入信号的幅度和相位，预失真的大小由查找表的输入来控制。而且可以通过增加采样频率和增大量化阶数办法来抵消高阶互调失真，矢量增益调节器一旦被优化，将提供一个与功放相反的非线性特性。注意到输入信号的包络也是查找表的一个输入，反馈路径来取样功放的失真输出，然后经过A/D变换送入自适应调节DSP中，进而来更新查找表。理想情况下，这时输出的互调产物应该与双音信号通过功放的输出幅度相同而相位相反，调节模块就是要调节查找表的输入，从而使输入信号与功放输出信号的差别最小。
目前国内部分短波电台中的功放已采了预失真技术，它仅用少量的元件就降低了互调产物几dB，但却是很关键的几dB。预失真线性化技术，它的优点在于不存在稳定性问题，有更宽的信号频带，能够处理含多载波的信号。预失真技术成本较低，由几个仔细选取的元件封装成单一模块，连在信号源与功放之间，就构成预失真线性功放。
2．3负反馈技术。负反馈技术应该说它并不是什么新技术，负反馈线性放大器通过耦合器、衰减器、合成器、延时线、功分器等组成两个环路。射频信号输入后，经过分器分成两路。一路进入主功率放大器，由于其非线性失真，输出端除了有放大的主频信号外，还有三阶交调干扰。从主功放的输出中耦合一部分信号，通过环路1抵消放大器的主载频信号，使其只剩下反相的三阶交调分量。三阶交调分量经辅助放大器放大后，通过环路2抵消主放大器非线性产生的交调分量，从而改善了功放的线性度。
负反馈技术既提供了较高校准精度的优点，又没有不稳定和带宽受限的缺点。当然，这些优点是用高成本换来的，由于在输出校准，功率电平较大，校准信号需放大到较高的功率电平，这就需要额外的辅助放大器，而且要求这个辅助放大器本身的失真特性应处在前馈系统的指标之上。
负反馈功放的抵消要求是很高的，需获得幅度、相位和时延的匹配，如果出现功率变化、温度变化及器件老化等均会造成抵消失灵。为此，在系统中考虑自适应抵消技术，使抵消能够跟得上内外环境的变化。上图中的R10、C19、R11、C20就是实际电路应用中比较典型的负反馈技术。
结束语：射频功放基本线性化技术的原理与方法不外乎是以输入RF信号包络的振幅和相位作为参考，与输出信号比较，进而产生适当的校正。通过上述几种常用方法对短波功率放大器进行线性调整，可以较好地解决信号的频谱再生问题。
参考文献
1 谭博文、胡见堂.《固态高频电路》.国防大学科技出版社
2 杨帮文.《新型实用功率放大电路》.人民邮电出版社
3 喜安善市、伏见和郎.《放大电路设计》.科学出版社
4 柯南.《非常电路板设计》.中国铁道出版社
5 JOSEPH J.CARR.《射频电路设计》.麦格劳－希尔教育出版集团
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