功率放大器是數字電視發射機中的重要組成部分。通常情況下，數字電視發射機中的信號經ＣＯＦＤＭ方式調制后輸出中頻模擬信號，通過上變頻送入放大部分。該調制方式包括ＩＦＦＴ（８Ｍ）和ＩＦＦＴ（２Ｍ）兩種模式，分別由６８１７和１７０５個載波組成。每個載波之間的頻率間隔非常近，所以交調信號很容易落在頻帶內，引起交調失真。數字電視的發射機較傳統類型，在線性度、穩定性等方面有著更高的要求。對發射機中的功率放大器要求必須工作在較高的線性狀態下，增益穩定。

發射系統的放大部分分為激勵和主放大電路。其中激勵部分為寬帶功率放大器，為確保地面數字電視傳輸的正常穩定，需要具有良好的穩定性和可靠性，其工作頻段在４７０ＭＨｚ～８６０ＭＨｚ，工作狀態為ＡＢ類；要求增益大于１０ｄＢ，交調抑制小于－３５ｄＢ，噪聲功率密度大于１３０ｄＢｃ／Ｈｚ。本文采用最新的ＬＤＭＯＳ ＦＥＴ器件，及平衡放大電路結構熏設計數字電視發射機中的驅動級功率放大器，經過優化和調試，滿足系統要求。

１ 功率放大器設計

１．１功率放大器的放大芯片選型

本文采用摩托羅拉ＬＤＭＯＳ ＦＥＴ器件ＭＲＦ３７３作為功放的放大芯片。該芯片在線性、增益和輸出能力上相對于ＢＪＴ器件有較大的提升，使發射機的可靠性和可維護性大大提高。與傳統的分米波雙極型功放管相比，ＬＤＭＯＳ ＦＥＴ具有以下顯著優點：

·可以在高駐波比（ＶＳＷＲ＝１０：１）情況下工作；

·增益高（典型值１３ｄＢ）；

·飽和曲線平滑，有利于模擬和數字電視射頻信號放大；

·可以承受大的過驅動功率，特別適用于ＤＶＢ－Ｔ中ＣＯＦＤＭ調制的多載波信號；

·偏置電路簡單，無需復雜的帶正溫度補償的有源低阻抗偏置電路。

ＬＤＭＯＳ制造工藝結合了ＢＰＴ和砷化鎵工藝。與標準ＭＯＳ工藝不同的是，在器件封裝上，ＬＤＭＯＳ沒有采用ＢｅＯ氧化鈹隔離層，而是直接硬接在襯底上，導熱性能得到改善，提高了器件的耐高溫性，大大延長了器件壽命。由于ＬＤＭＯＳ管的負溫效應，其漏電流在受熱時自動均流，而不會象雙極型管的正溫度效應在收集極電流局部形成熱點，從而管子不易損壞。所以ＬＤＭＯＳ管大大加強了負載失配和過激勵的承受能力。同樣由于ＬＤＭＯＳ管的自動均流作用，其輸入－輸出特性曲線在１ｄＢ壓縮點（大信號運用的飽和區段）下彎較緩，所以動態范圍變寬，有利于模擬和數字電視射頻信號放大。ＬＤＭＯＳ在小信號放大時近似線性，幾乎沒有交調失真，很大程度簡化了校正電路。ＭＯＳ器件的直流柵極電流幾乎為零，偏置電路簡單，無需復雜的帶正溫度補償的有源低阻抗偏置電路。

１．２ 電路結構選擇及比較

小信號Ｓ參數可以用于甲類放大器的設計，也就是要求信號的放大基本限制在晶體管的線性區域。然而，涉及到大功率放大器時，由于放大器工作在非線性區，所以小信號通常近似無效。此時必須求得晶體管的大信號Ｓ參數或阻抗，以得到合理的設計效果。

一般說來，甲類工作狀態失真系數最小，具有良好的線性度。但是在大功率應用情況下，由于甲類工作狀態的效率低（５０％）而不適用。采用甲乙類推挽放大器的電路形式，可以得到與甲類放大器相近的線性指標。

推挽電路形式由兩個獨立且無任何內部連接的單管放大器構成，通過兩個巴倫進行功率的矢量分配與合成。由于巴倫本身具有變阻的特點，因此大大降低了變阻比帶來的阻抗匹配的困難，且巴倫對于偶次諧波具有很好的抑制作用。但是由于巴倫兩邊間隔過小，兩路相互影響較大，所以應用巴倫結構的放大器穩定性較差，且該電路的輸入和輸出駐波比較差。

本文采用平衡放大器的形式，結構如圖１所示。其工作原理與巴倫結構的電路相似，但是由于３ｄＢ電橋的應用，使得兩路射頻信號之間隔離較好，有利于兩個端口的匹配。相對于單管放大器結構，其優點如表１。

１．３ 匹配網絡設計

由于ＭＲＦ３７３沒有提供內匹配，所以要在放大電路中構建匹配網絡。數字電視反射系統中的放大電路工作在４７０ＭＨｚ～８６０ＭＨｚ，需要在寬頻帶范圍內實現阻抗匹配。寬帶放大器匹配電路設計的基本思想是：在放大器的輸入輸出及級間都采用電抗匹配網絡進行多級阻抗變換。該網絡只起匹配作用，不額外損耗功率，可以保證最大的傳輸系數，對器件特性起均衡作用，并可以滿足系統所需要的帶寬要求。

使用器件的ＩＶ曲線或者通過輸出功率、工作電壓等參數可以確定負載ＲＬ。為使輸出功率最大，用ＲＬ表示器件的內部漏極負載，以此作為輸出匹配電路的目標。如果一個網絡對一個復阻抗有最佳匹配，則網絡的輸出阻抗等于負載阻抗的復數共軛值。現在的負載阻抗是純實數ＲＬ，所以最佳輸出匹配電路反映到器件漏極負載的阻抗是ＲＬ的復數共軛值，即：

ＲＬ＝（ＶＤＤ－ＶＤＳ（ｓａｔ））２／２Ｐ

其中ＶＤＤ是工作電壓，ＶＤＳ（ｓａｔ）是拐點電壓，Ｐ是輸出功率。

根據上式可以算出，ＭＲＦ３７３的ＲＬ大約為６Ω。

本文中的放大電路采用分離元件和分布參數元件混合使用的方法。由于電感比電容有更高的熱損耗，所以在此類電路中通常避免使用電感，而使用高阻抗的傳輸線代替。混合類型的匹配網絡通常包括幾段串連的傳輸線以及間隔配置的并聯電容。該放大器的輸入匹配部分采用了四節連阻抗變換，輸出匹配采用五節連阻抗變換的混合電路形式。輸入、輸出匹配網絡拓撲圖如圖２、圖３所示。

２ 電路優化與仿真結果

由于數字電視發射系統要求放大電路必須工作在線性放大狀態，可以用小信號Ｓ參數法分析。借助器件廠商提供的小信號Ｓ參數文件，可以用ＡＤＳ對整個電路進行小信號Ｓ參數仿真，得到小信號增益、端口匹配、隔離及穩定因子Ｋ。表２為ＭＲＦ３７３在（Ｖｃｅ＝２６Ｖ、Ｉｃ＝５００ｍＡ）下的Ｓ參數。

用ＡＤＳ進行電路仿真并不能達到設計要求，需在此基礎上進行電路優化。當只有小信號Ｓ參數作為模型來設計功率放大器時，電路優化的步驟一般為：首先盡可能以ＲＬ（相對最大輸出功率的負載電阻）匹配為目標，優化和確定輸出匹配電路元件值；然后再優化輸入匹配電路的元件值，改善增益和輸入匹配電路。需要注意的是：在優化前，必須得到盡可能完整的輸出電路模型，然后在工作頻率下對其優化，達到與ＲＬ的最佳匹配。圖４為放大電路的仿真結果，圖５為電路最終優化結果。

３ 測試結果

經過大量實驗和反復調試，實測結果如圖６所示。該驅動級放大器工作于線性狀態。由圖６增益曲線圖可知，整個頻帶內增益平坦，為１２ｄＢ左右，與仿真結果大致一樣。回波損耗小于１５ｄＢ，帶內駐波比小于１．３。輸入功率２瓦時，用功率計測得輸出功率２５Ｗ，信號幅度穩定，其交調抑制小于－３５ｄＢ。各項指標滿足系統要求，與國外同類數字電視發射機中放大器的指標接近，成本大大降低，為今后數字電視發射機的國產化研制奠定了基礎。

可用于移動接收地面數字電視的天線設計

1、在移動中接收數字電視，因為信號是隨不同地理位置變化，而信道特性是作動態變化的，這就要求天線對不同信道的動態特性變化的穩定可靠性作出實時反映，在移動中天線須在全方位范圍內保證一定的帶寬和增益。為此我們設計出一種全方位圓柱體螺旋微帶天線，它把1/4波長的微帶諧振器呈螺旋狀地繞在具有一定厚度（h）的空心圓柱體上，其微帶貼片與地板構成同軸圓柱體，體積比較短小，可以和任何載體（例如汽車）共形，同時可以設計成任何規格（50Ω，75Ω）與同軸電纜聯結，不須匹配網絡，且空芯內部可以安裝有源電子器件。

選擇具有一定厚度（h）的介質，是為了增加輻射電導使輻射對應的Qr值和總的QT值下降，從而增加帶寬。當介質基片選定后介電常數εr和損耗角正切tanδ這一對數據就同時給出，當εr減小時介質對場的“束縛”就減小，此時天線就易于輻射，但相對于天線的儲能就減小，Qr值下降，頻帶加寬，但εr的減小會使介質基片尺寸加大，選擇大的損耗角正切才能使Qr下降頻帶加寬，但此時天線效率卻降低很多，所以要統籌考慮。

因為εr和tanδ是頻率的函數，所以選擇好介質基片后要進行實測，以免設計饋電點的位置出現偏差而影響阻抗匹配。我們選用的介質材料是聚四氟乙烯（PTFE），按設計尺寸一次沖壓而成型，然后用蒸發，離子鍍銅工藝鍍帶線和地板。

2、對微帶帶寬W的確定？

因為帶線長度λg/4與εe（等效介電常數，λg＝λ0／εe）有關，當εr和h為已知時，W就取決于εe，可按下列公式計算：W＝C*fr（εr＋12）－12

式中，fr——工作頻率；

C——光速；

εr——相對介電常數。

數字電視一般工作在470～860MHz范圍內，帶寬為6～8MHz，增益在4dB左右。當選用小于上式計算出的寬度時，其天線效率將會降低，大于上式時雖然效率較高但易產生高次模影響圖像的清晰度。為避免工程上的復雜計算，在設計微帶線時對不同介質、不同尺寸的帶線特性阻抗，可查閱微帶天線工程手冊中給出的W/h，εe，Z0值。

3、對螺旋微帶線的修正？

因為螺旋微帶線的終端是開路的，我們理論上認為終端開路具有無限大的開路負載阻抗，實際上它不是真正的開路，在開路端存在著電場的邊緣效應，相當于在終端附加了一個終端電容，為了抵消這個終端電容的影響，開路端要比理想設計計算值縮短一個Δl長度。因為終端負載阻抗為無窮大λg/4傳輸線的輸入阻抗為零，當終端負載接有一個附加電容時，如果仍要保持輸入阻抗為零，此時微帶線就要縮短一個Δl長度。

因為λg/4微帶線是呈螺旋狀纏繞在圓柱體上，在末端產生突變（變尖），這種突變會引入附加的電抗，所以要針對這種突變對微帶線進行修正來抵消這種電抗的影響。

其修正值所去掉的Δl值與W、h，εr值有關，用微帶線修正理論分析與計算要引入許多復變函數極為復雜，同時又給出許多假設條件，不易得出準確的結果，實際工作中要經過反復實驗與積累的經驗來修正，Δl一般取微帶線的0.2倍。

我們設計的？λg/4螺旋貼片天線用切掉微帶線的一個角來抵消終端電容，附加電抗的影響，同時它還能微調諧振頻率，當切掉T1時會使頻率增加，對阻抗匹配影響甚微。當切掉T2時也使頻率降低，但對阻抗影響很大，需重新調整，所以設計時將諧振工作頻率略往低一點考慮，比較有利。為使螺旋微帶天線容易輻射和接收，在邊緣地帶留有一定距離的輻射縫隙（B）。經驗證明兩帶之間（S）的空間間隔至少為微帶寬度（W）的一半時，天線工作效率最好，因此可簡單地確定螺旋圈數，為了保證全向方向圖，微帶寬度不應小于圓柱的直徑（D）。饋電方式直接影響到微帶線的輻射特性，我們選用50Ω BNC型接插件，背饋輸出，接插頭的中心線與微帶線饋電點聯結，接地端與圓柱體內壁地板相連。為使螺旋微帶線不受外界環境的影響，在螺旋貼片微帶天線外部加一個玻璃外罩保護，預防雨雪侵害。天線底部加一塊磁鐵吸在汽車頂部。

4、 結束語

我國發展數字電視起步較晚，但發展速度非常快，市場特別大，但是缺乏自己專有產權的技術標準，盡管清華正在研制數字多媒體廣播地面（DMB-T）標準，交大也正在開發高級數字電視廣播地面（ADTB-T）標準，但都還在不斷完善之中，中國必須要有自己的自主知識產權的標準。目前，國內廠商已有能力提供業內人士認可的DVB核心設備，也開播了不少數字電視頻道的試播節目，所以希望有關部門盡快地公布我國自己的地面數字視頻廣播標準，創造更好的數字電視環境，讓人們享受高科技帶來的高清晰度數字電視節目。

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