一种可控增益的射频功率放大器的制作方法

本实用新型属于通信设备应用技术领域，尤其涉及一种可控增益的射频功率放大器。

背景技术：

射频功率放大器（RFPA）是各种无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。

射频功率放大器的工作频率很高，但相对频带较窄，射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器的分类很复杂：根据放大器的输出功率来分，可以分成低噪声放大器和功率放大器，对于一个收发系统来说，低噪声功率放大器主要用于整个收发系统的前端，对小信号进行放大，而功率放大器则主要偏向于将信号放大之后利用天线发射出去，因而输出的信号功率通常很大。根据放大器的使用频率和带宽可分为高频放大器和中低频放大器，高频放大器通常覆盖频率很宽，起始频率很低，而中低频放大器则刚好相反。按照电流导通角的不同，分为甲（A）、乙（B）、丙（C）三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为360°，适用于小信号低功率放大，乙类放大器电流的导通角等于180°，丙类放大器电流的导通角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率工作状态，丙类放大器的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种增益可控范围大，频带宽，输出功率高，性能稳定和信噪比高的功率放大器。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种可控增益的射频功率放大器，包括信号输入、信号输出、50Ω功率负载和电源模块，还包括信号输入依次连接的高通滤波器、固定增益放大模块、可控增益放大模块1、底通滤波器、可控增益放大模块2和功率放大模块，分别与可控增益放大模块1和可控增益放大模块2连接的增益控制电压产生模块，与增益控制电压产生模块连接的单片机，与单片机连接的数字控制模块；电源模块分别与固定增益放大模块、可控增益放大模块1、可控增益放大模块2和功率放大模块相连；功率放大模块依次连接信号输出和50Ω功率负载。

在上述的可控增益的射频功率放大器中，单片机选用MSP430单片机。

在上述的可控增益的射频功率放大器中，数字控制模块包括键盘和液晶显示屏，液晶显示屏采用LCD1286，键盘采用4 X 4矩阵键盘。

在上述的可控增益的射频功率放大器中，高通滤波器采用椭圆滤波器，其中，电感L1、L2采用COILCRAFT公司的高频绕线电感，电容C1、C2、C3、C5、C6采用村田公司的高精度贴片电容，其截止频率是20MHz。

在上述的可控增益的射频功率放大器中，低通滤波器采用椭圆滤波器，其中，电感L1、L2、L3采用COILCRAFT公司的高频绕线电感，电容C1、C2、C3、C5、C6、C7采用村田公司的高精度贴片电容，其截止频率是270MHz。

在上述的可控增益的射频功率放大器中，固定增益放大模块选用1.8GHz电流反馈放大器THS3201，固定增益为21.6dB。

在上述的可控增益的射频功率放大器中，可控增益放大模块1、可控增益放大模块2均选用500MHz带宽，-2.5dB~42.5dB增益的可控放大器AD8367。

在上述的可控增益的射频功率放大器中，功率放大模块选用带宽3GHz的RF2317。

在上述的可控增益的射频功率放大器中，增益控制电压产生模块选用芯片TLV5638。

在上述的可控增益的射频功率放大器中，电源模块包括DC-DC变换器集成块ICL7662和电源芯片LM1117、LM317以及LM337。

本实用新型的有益效果是：射频功率放大器的增益可控，频带宽，通频带起伏小，信噪比高，稳定性高。采用了多种抗干扰措施来降低噪声和增强系统稳定性。系统的最大增益可达到60dB，3dB带宽为40MHz到200MHz。在减小系统的复杂程度同时还提高了放大精度。

附图说明

图1：本实用新型一个实施例射频功率放大器的结构框图；

图2：本实用新型一个实施例高通滤波器电路图；

图3：本实用新型一个实施例低通滤波器电路图；

图4：本实用新型一个实施例固定增益放大模块电路图；

图5：本实用新型一个实施例可控增益放大模块1、2 AD8367的电路图；

图6：本实用新型一个实施例功率放大模块RF2317的电路图；

图7：本实用新型一个实施例增益控制电压产生模块TLV5638的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施例采用以下技术方案来实现，一种可控增益的射频功率放大器，包括信号输入、信号输出、50Ω功率负载和电源模块，还包括信号输入依次连接的高通滤波器、固定增益放大模块、可控增益放大模块1、底通滤波器、可控增益放大模块2和功率放大模块，分别与可控增益放大模块1和可控增益放大模块2连接的增益控制电压产生模块，与增益控制电压产生模块连接的单片机，与单片机连接的数字控制模块；电源模块分别与固定增益放大模块、可控增益放大模块1、可控增益放大模块2和功率放大模块相连；功率放大模块依次连接信号输出和50Ω功率负载。

进一步，单片机选用MSP430单片机。

进一步，数字控制模块包括键盘和液晶显示屏，液晶显示屏采用LCD1286，键盘采用4 X 4矩阵键盘。

进一步，高通滤波器采用椭圆滤波器，其中，电感L1、L2采用COILCRAFT公司的高频绕线电感，电容C1、C2、C3、C5、C6采用村田公司的高精度贴片电容，其截止频率是20MHz。

进一步，低通滤波器采用椭圆滤波器，其中，电感L1、L2、L3采用COILCRAFT公司的高频绕线电感，电容C1、C2、C3、C5、C6、C7采用村田公司的高精度贴片电容，其截止频率是270MHz。

进一步，固定增益放大模块选用1.8GHz电流反馈放大器THS3201，固定增益为21.6dB。

进一步，可控增益放大模块1、可控增益放大模块2均选用500MHz带宽，-2.5dB~42.5dB增益的可控放大器AD8367。

进一步，功率放大模块选用带宽3GHz的RF2317。

进一步，增益控制电压产生模块选用芯片TLV5638。

更进一步，电源模块包括DC-DC变换器集成块ICL7662和电源芯片LM1117、LM317以及LM337。

具体实施时，一种可控增益的射频功率放大器，包括射频放大电路，数字显示控制电路和供电电路。射频放大电路中采用四级放大电路级联来保证足够的增益可变范围和带宽，其中的第一级采用固定增益放大模块，选用TI公司1.8GHz电流反馈放大器THS3201，第二级和第三级采用可控增益放大模块1、2AD8367级联实现，控制电压由单片机MSP430产生数字量来控制增益控制电压产生模块TLV5638产生，末级功率放大采用功率放大模块RF2317，最终输出可驱动50Ω功率负载电阻，输出功率大。数字显示控制电路主要由单片机MSP430控制液晶屏和键盘。供电电路由DC-DC变换器集成块ICL7662和电源芯片LM1117、LM317和LM337等芯片组成，输入+12V直流电源可以产生±12V、±7.5V和±5V等多电压电平输出，用以满足后级芯片对多种电源电压的要求。

而且，可控增益射频功率放大器包括用于使20MHz频率点有足够衰减的高通滤波器，用于补偿由于阻抗匹配而引起的增益下降的固定增益放大模块，用于调整放大倍数的可控增益放大模块1、2，用于满足270MHz的增益衰减要求的低通滤波器，用于保证足够的增益可变范围和带宽的功率放大模块以及用于控制增益控制电压产生模块，显示设定的增益值的数字控制模块。

高通滤波器用于使20MHz频率点有足够的衰减，由用于阻抗匹配的电阻模块，用于滤除低通信号的高通滤波器组成；输入信号与阻抗匹配前级电阻串连，信号经电阻流出后与高通滤波器相连，高通滤波器输出与阻抗匹配后级电阻并联。

前级固定增益放大模块用于保证足够的增益可变范围和带宽，实现待测信号调理和放大的功能，由用于减少级间干扰的阻抗匹配模块，用于稳定电源信号的电源滤波模块以及用于待测信号放大的运算放大器组成。信号输入与阻抗匹配电阻相连，阻抗匹配后的信号与前级运算放大模块相连，放大器的电源与电源滤波模块相连。

可控增益放大模块1、2用于实现增益控制范围调节，由阻抗匹配，可控增益放大模块1以及可控增益放大模块2的控制信号组成；可控增益放大模块1的输入与固定增益放大模块的输出相连，中间接阻抗匹配模块。阻抗匹配的输出与可控增益放大模块2的输入相连，控制信号与可控增益放大模块1、2的控制端口相连。

低通滤波器用于满足270MHz的增益衰减要求，由用于阻抗匹配的电阻模块，用于滤除高通信号的低通滤波器组成；输入信号与阻抗匹配前级电阻串连，信号经电阻流出后与低通滤波器相连，低通滤波器输出与阻抗匹配后级电阻并联。

后级功率放大模块用于保证足够的增益可变范围和带宽，由用于放大信号的功率放大模块，外围配置电路模块及匹配电阻组成；其输入与功率放大模块相连，外围配置电路与功率放大模块输出相连，输出信号与匹配电阻并联。

数字控制模块用于控制增益控制电压产生模块输出增益控制电压，并能显示设定的增益值；DAC由单片机输出的数字量控制。单片机与增益控制电压产生模块相连，单片机的输出与可控增益放大模块1和可控增益放大模块2相连。

本实施例中，以MSP430单片机为控制核心，采用四级放大的方案，可驱动50Ω电阻输出大于2V的有效值。整个系统采用了多种抗干扰措施来降低噪声和增强系统稳定性，并在各级之间进行了严格的阻抗匹配来减小带内起伏。经过最终的测试，系统的最大增益可达到60dB，3dB带宽为40MHz到200MHz具有频带宽的特点。其中在50MHz到160MHz的频率范围内的频率波动小于2dB，在小于20MHz和大于270MHz的频率点处的衰减均不大于20dB，因此具有通带内平坦的特点。此外，由于在高频工作状态下，手工焊接的电路容易受到干扰而在系统中引入很大的噪声，从而影响系统的工作状态，本实施例采用PCB线路板。在布线过程中，各元器件采用贴片封装，使排布更为紧凑，连接线尽量直而短，在拐弯90度时要保证圆滑走线，减少直角反射对与传输特性的影响，同时采用双面布线可提高系统的稳定性，使得噪声低，信噪比高和信号完整性良好。在PCB线路板的下面进行大面积的覆铜接地，可显著地降低接地阻抗，从而保证系统工作的稳定性。在输入和输出端口使用SMA来连接，可以避免外界干扰信号进入电路产生影响，同时减小了信号接入时的传输损耗。还可以通过在每个器件供电端口附近接10uF钽电容和0.1uF的贴片电容到地，构成去耦电路来消除电源可能耦合进来的高频噪声。整个系统是共地的，数字模块和PCB线路板的地线接到电源模块的地上，没有相对的环路，可减少外界电磁干扰在环路中引入的噪声。

如图1所示，本实施例的主控组件是MSP430单片机，MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。MSP430单片机称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。本实施例射频功率放大器通过MSP430，实现了TLV5638电压控制，按键操作，液晶显示屏的显示等信息。

本实施例液晶显示屏采用LCD12864，并由单片机MSP430驱动显示，LCD12864显示块是所说的点阵液晶显示模块，显示屏显示的内容包括：信号波形图，信号的幅度，系统的增益，频率分辨率。按键操作是通过4 X 4矩阵键盘实现。

如图2所示，高通滤波器采用的椭圆滤波器，由于有高带宽和截止频率高的特点，因此决定了滤波器不可能设计成带通的形式，只能通过低通和高通的连接来完成。由于要求衰减速度较快，如果要用巴特沃斯滤波器的话，实现这个衰减则需要的阶数很高，所以选用椭圆滤波器，在保证带内起伏小的前提下可以较小的电路规模完成。为了保证低通和高通的带宽大小，则需要无源滤波器的电感Q值越小越好。但Q值也应当适当，否则会使得带内的平坦度收到影响。电感L1、L2采用COILCRAFT公司的高频绕线电感，电容C1、C2、C3、C5、C6采用村田公司的高精度贴片电容，滤波器的截止频率是20MHz，滤除低频噪声。

如图3所示，低通滤波器的设计方案与高通滤波器相同，电感L1、L2、L3也是采用COILCRAFT公司的高频绕线电感，电容C1、C2、C3、C5、C6、C7采用村田公司的高精度贴片电容，滤波器的截止频率是270MHz，滤除高频噪声。

如图4、5、6所示，本实施例射频功率放大器信号的四级放大电路图，主要包括前级固定增益放大模块THS3201、两级可控增益放大模块AD8367、功率放大模块RF2317；增益带宽积是衡量一个运放性能的重要指标。而对于单个运放而言，这个指标是一定的。本实施例射频功率放大器的最大增益可达到52dB，放大器的通频带为40到200MHZ,所以该射频功率放大器的增益带宽积远大于100G，这对于单个运放而言显然是无法完成的，所以需要采用多级级联。

第一级放大电路固定增益放大模块选用1.8GHz电流反馈放大器THS3201，固定增益为21.6dB，输出波形失真小。第二级和第三级可控增益放大模块选用500MHz带宽，-2.5dB~42.5dB增益可控放大器AD8367来搭建，其调节范围可覆盖要求的增益控制范围，这两级间加入低通滤波器可在实现阻抗匹配的同时完成对270MHz波形的衰减。第四级功率放大模块要在2V有效值情况下输出200M以上的功率，所以对放大器压摆率的要求很高，选用带宽3GHz的RF2317来增大幅度和功率，直流增益值达到15dB，可实现最终的2V有效值输出。

如图7所示，本实施例采用的增益控制电压产生模块是TLV5638，单片机MSP430控制TLV5738的DIN、SCLK、 脚，OUTB、REF脚悬空。单片机MSP430输入SCLK信号即可让TLV5638输出控制电压。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。