DTV 发射机75W 射频功放模块的设计与实现

1 引言
近年来，射频电路在数字电视中得到广泛应用，作为数字电视发射机中十分重要的大功率功
放模块，如何做到功率、增益与线性度的最优化是当前的重要课题。由于功放管特性曲线的
非线性，在大信号情况下工作的功放会产生非线性失真，功放管输出功率越大，非线性失真
也越严重。功放管的热稳定性和过压保护，也是设计功率放大器的特殊要求。按照系统指标
要求，设计实现了一种可用于数字电视发射机的75 W 大功率的功放模块。其系统的工作频
段为170～230 MHz，功放管的静态工作点为Vds=28～32 V，Vgs=3.7～4.1 V，带内增益20
dB 以上，线性功率最大输出为75 W，回波损耗15 dB。
2 原理及设计方案
功放模块在功能上可以分为射频放大电路和直流馈电电路。射频放大电路进行射频信号功率
放大，它是功放的主体部分，决定了功放的主要性能指标，如增益、输出功率、功率平坦度、
线性度等。直流馈电电路为功放管提供可调的电压偏置，有合理的保护措施来防止功放管的
损坏，提供温度补偿并采用负反馈技术以提高线性度。
2.1 射频放大电路
图1 为射频功放模块放大部分的电路原理框图，采用平衡放大器的结构，射频信号首先进入
3 dB 耦合器，将射频信号一分为二，并将其中一路引入90°的相移，分别进行功率放大，然
后再由输出耦合器引入90°附加相移使两路信号恢复同相，将输出功率合成。另外，3 dB 耦
合器的另一端接50 Ω 的负载。
功放管选择的是Freescale 公司的MRF9060，它采用横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)
技术的N 沟道增强型场效应管。LDMOS 管用高集成无源和有源区域来代替传统的大功率射
频芯片分立的有源区，比较容易组成内部输入输出匹配网络，金属化栅极可以减少串联电阻、
增加功率增益。MRF9060 采用共源的工作模式，具有良好的散热特性。栅、漏极之间屏蔽
层降低了反馈电容，较长的栅极长度可满足较大范围的动态增益和线性要求，具有良好的抗
失配能力(SWR<10)。MRF9060 一般工作于AB 类状态，其增益与栅源电压Vgs 成正比。
MRF9060 工作参数如下：在945 MHz 双频信号输入下，最大输出功率为60 W，功率增益
为17 dB，效率为40％，三阶交调IMD 为-31 dBc。虽然MRF9060 可以在工作频带内达到
60 W 的功率输出，但为了保证功放的线性度、温度稳定性、使用可靠性，延长器件寿命，
其功率一般保持在最大功率的1／3～1／2。
输入输出匹配网络是在源和负载之间插入一个无源网络，使得两者间的阻抗共轭相等，反射
最小，从而形成最大功率传输。随着频率增高分立元件的寄生效应会非常明显，而电感相对
于电容有更高的电阻性损耗，所以在设计中采用了几段微带传输线间隔配置并联电容的复合
型匹配网络。具体设计流程如下：首先在Smith 圆图上确定源阻抗和匹配阻抗的位置，通过
串联传输线和并联电容来进行两者间的阻抗转换。需要注意的是，稍稍改变电容的位置，就
会在很大程度上影响到最终的阻抗值，因此在定位时需要仿真结合实测来精确定位。根据微
波电路理论，两段传输线的总长不变，通过改变并联电容在两者之间的位置就可以获得很大
的阻抗匹配范围。在设计匹配网络时还要考虑有载品质因数QL，表示为
式中；f0 为中频频率；BW 为带宽。由公式(1)可知，带宽指标决定了系统的QL，而QL 又
由Smith 圆图上各节点的最大品质因数Qn 来决定，因此必须以适当增加电路元件的数量为
代价来调整系统带宽的自由度，以便寻找一种满足带宽指标的阻抗匹配网络电路形式。
2.2 直流馈电电路
直流馈电电路主要由稳压电路、四路分压网络、两路减法器、过压保护电路和负反馈电路组
成，其原理框图如图2。首先30 V 直流电压源进入稳压电路，稳压芯片采用L78M15，输出
15 V 的直流稳压，分别