简介
你需要一个射频功率放大器。你已经测量了你的信号的功率,它是不够的。您甚至可能已经决定了一个瓦的功率级别,您认为将满足您的需求。你准备好买这么瓦数的放大器了吗?由于额定功率相同的放大器在价格、尺寸和效率上有如此多的变化,许多射频放大器购买者对他们的选择不满意。瓦茨选择放大器的一些不幸结果包括:不可接受的失真或干扰、增益不足、放大器过早失效和浪费金钱。以下5个步骤将帮助你避免这些错误。
第一步-了解你的信号
第二步——计算
第三步——逛街
步骤4 -比较苹果
第五步:购买铃铛和哨子
第一步——了解你的信号
关于信号,您需要知道两件事:信号上的调制类型和要放大的信号的实际峰值功率。了解调制是最重要的,因为它定义了放大器的广泛变化,将提供可接受的性能。了解信号的峰值功率将允许您计算增益和/或功率需求,如下面的步骤所示。
信号调制和功率- cw, ssb, fm,和PM是容易的
为了避免失真,放大器需要能够忠实地处理信号的峰值功率。不管调制类型是什么,都需要知道峰值功率。幸运的是,对于许多调制类型,平均功率与峰值功率相同:CW, SSB(单音和语音),FM和相位调制的平均功率都等于峰值功率。这些射频载波的功率相对容易用平均功率计、频谱分析仪或射频瓦特计测量。许多射频放大器额定为连续波功率,因此该规范也适用于SSB(单音和语音),FM和相位调制信号。对于SSB,由于载波被抑制,所以显著的功率都集中在边带载波上。
注意调频
峰值功率取决于调制的百分比,但您可能需要允许100%调制,这将创建4倍于未调制载波的信号峰值,或+6dB。这意味着你需要一个400W的放大器来忠实地AM调制100W的CW信号。如果你有较少的可用功率或“净空”,你的放大器将在压缩状态下工作,这将通过“剪切”或切断波形的峰值来扭曲信号。虽然某些失真对于语音通信是可以容忍的,但由于AM通信受到各种其他损害,您应该指定RF放大器以产生尽可能小的AM失真。调幅语音通信通常使用调制深度在60-80%的范围内。将性能指定为90%调制将为大多数AM通信提供安全裕度。
AM峰值功率(dBm) =连续波功率(dBm) + 6db(100%调制)
AM峰值功率(瓦)=连续波功率(瓦)× 4(100%调制)
一个100W放大器将开始剪辑一个100W载波,只要任何AM调制应用。剪切是一种失真形式,它造成的问题不仅仅是降低信号的“可读性”。剪切还会以大功率载波的形式引起谐波积的增加,从而引起远超频干扰。
调幅平均功率与连续波平均功率不同,它随调制深度的变化而变化。平均功率随着调制深度的增加而增加。对于正弦波调制,其关系如下:
调制指数(M) =调制深度/ 100
AM平均功率增加= (1 + M2 / 2)
AM平均功率增加dB = 10 log10 (1 + M2 / 2)
示例:对于70%调制的100 WCW:
AM平均功率增加= (1 + 0.702 / 2)
AM平均功率增加= (1 + .245)
AM平均功率增加(比率)= 1.245
AM平均功率增加dB = 10 log10 (1 + M2 / 2)
AM平均功率增加dB = 10 log10 (1.245)
AM平均功率增加dB = 0.95
当您知道AM调制深度或指数时,要计算所需的峰值功率:
AM峰值功率(瓦)= (M + 1)2 ×连续波功率
示例-对于调制深度为80%的3WCW信号:
峰值功率(W) = (0.8 + 1)2 × 3 WCW
峰值功率(W) = (1.8)2 × 3 WCW
峰值功率= 9.72瓦
示例-对于100 WCW信号,调制深度为90%:
峰值功率(W) = (0.9 + 1)2 × 100wcw
峰值功率(W) = (1.9)2 × 100wcw
峰值功率= 361瓦
多音或多载波信号会让人大吃一惊
如果你的信号有多个离散的载波,它将需要比你想象的更大的功率来忠实地放大。你不能简单地把个人能力相加。100%保真度所需的峰值功率等于单个载流子峰值功率乘以载流子数量的平方。这是因为峰值功率等于E2 /R。在这个公式中R是负载,所以负载上的电压必须是平方。这意味着如果你有两个峰值功率为1W的载波,就需要一个4W的放大器来避免信号压缩。如果你有10个峰值功率为1W的载波,就需要一个100W的a级放大器来避免压缩!对于您的应用程序来说,这可能是多余的,因为您的调制可能不需要如此低的失真。
对于具有等幅载波的多载波信号:
峰值功率(瓦)=(载波数)2 *单个信号的峰值功率(W)
如果您的信号包含不同功率级别或调制类型的载波,那么将载波数或载波数的平方乘以预期的最高单峰功率信号就不会出错。
一旦你计算出你需要的峰值功率,惊人的高瓦数可能会迫使你考虑节约。在你开始降低峰值功率瓦数并购买低功率放大器之前,将放大器级别从A降至AB。这将以较低的每瓦成本提供你所需的峰值功率数,通常有适度的失真和更高的效率。
复调制峰值功率稍微复杂一些
如果你的信号是通过复杂的调制(相位和振幅同时调制)调制的,你就需要采用专门的测量方法。如果你有一个峰值功率计,并且你确定没有其他显著的贡献信号功率存在,它应该提供一个有效的峰值测量。使用频谱分析仪检查始终是谨慎的,以确保宽带功率传感器“看到”什么。如果没有峰值功率计,可以使用具有峰值检测器的频谱分析仪。最后,尝试在样本检测器跟踪设置为最大保持函数上的峰值搜索标记。
您可以根据信号格式峰值平均比(PAR)或峰值因子,从平均功率测量中估算峰值功率。例如,64QAM的PAR值约为3.7dB。PAR实际上使用的是RMS值,而不是平均值,所以平均功率加上1.5dB就得到了RMS功率。对于平均功率为0 dBm的64QAM信号:
0dBm平均+ 1.5dB≅1.5dBm RMS
1.5dBm RMS + 3.7dB PAR≅5.2dBm峰值
这些更高的PAR水平转化为放大器所需的更高功率。这可以被视为效率低下,因为繁重的工作是在较低的功率水平上完成的,或者是增加数据密度的合理成本。预剪辑信号的波峰因数减小(CFR)方案可以降低某些类型的调制的PAR,但即使如此,复杂的调制信号仍然会在宽功率范围内缓慢降级,因为信号峰值在放大器中被越来越多地剪辑(参见图1).这会导致不断增加的数字错误,并将能量推到相邻的通道,从而产生“噪声”。重要的是要记住,复杂波形信号的PAR可能随着发送的数据有效载荷而变化,因此尝试使用最坏情况的数据集测试您的系统。信号发生器产生的伪噪声(PN)数据可能不能代表最坏情况的信号。
如果扩音器没了余量怎么办?
将放大器运行到线性范围之外并不意味着输出的功率更少。它会产生大问题:
- 你可能会损坏放大器。功率放大器通常指定一个P1表示安全电源输出电平(请参阅步骤4简单讨论一下P1).确保你的峰值信号水平保持在P以下是一个很好的实践1电平,以避免过度驱动放大器。一些无法转化为输出波形的多余功率会以热的形式出现在输出晶体管上。这些昂贵设备的典型破坏水平约为P6或P7,仅比P高5-6 dB1.必要时给放大器输入增加衰减以保持在P以下1的水平。许多AR模块化射频放大器设计以自动限制电路(ALC)的形式提供过驱动保护,以防止意外的过驱动电平。采用较新的氮化镓(GaN)器件的放大器比之前的LDMOS器件更具抗损伤性。
- 你可能会破坏你的信号。由于您的信号峰值不能以与低电平信号相同的增益再现,因此它们是扭曲的。这可能意味着放大器在你想要的功率水平下是无用的,必须使用更低的增益或驱动水平和更少的功率输出。一般来说,你必须调整输入电平以降低输出功率,或获得更大的放大器。许多AR模块化射频模型提供宽范围增益控制,有助于固定功率水平。
- 你可以做其他的问题。从你扭曲的信号中缺失的能量出现在其他地方——作为你频率通道外的干扰或作为频率外的谐波。复杂调制信号会在相邻信道中产生干扰。谐波是宽带放大器的一个特别大的问题,它放大了覆盖较低频率的二次或三次谐波。因为没有输入滤波器可以使用,所以需要一个有很大空间的保守设计。输出滤波器可以固定谐波,但在高功率下会消耗大量热量,需要良好的机械设计才能将热量传递到接收器。
图1
图1显示了当峰值功率接近并越过P时OFDM信号在放大器中的衰减1压缩点。最低迹线是未压缩信号,其信噪比(SNR)优于45dB。中间的Trace 2显示输入信号比Trace 1高10dB,信号峰值刚好碰到P1点。虽然数据通道的增益增加了10dB,但互调失真产生了噪声的“肩膀”,将信噪比降低到33dB。在Trace 3中仅增加5dB的驱动器,相邻通道的功率增加了16dB,信噪比降低到22dB左右。具体的应用程序将决定需要或可以容忍的信噪比级别。
复杂的调制需要更大的空间——但有多少?
如图所示,与平均功率相比,复杂调制格式表现出较高的峰值功率。利用波峰因子缩减(CFR)方案、数字和放大器线性化技术以及信号有效载荷变量,有效PAR和可接受的非线性范围很广。大多数数字格式都可能遭受中度失真,但仍然可用。例如,在没有其他失真的情况下,当峰值功率限制在放大器的P时,WLAN调制仍然可以提供可接受的性能1幻灯片(见步骤4对P的解释1).
PAR为12的OFDM调制可能允许峰值功率从峰值下降多达6 dB。降低输入功率以允许放大器满足峰值功率要求通常被称为“回退”,以dB表示。即使降级6dB,峰值功率仍然比平均功率高6dB,这必须通过取消CW P来允许1在计算峰值功率时,您的特定应用程序必须确定应用于信号平均功率的有效PAR值,但峰值功率将始终显著大于平均功率。使用有效PAR或6-7dB的“后退”可以提供有用的工作数字。
脉冲调制
不管脉冲宽度如何,用峰值功率计可以很容易地测量脉冲峰值功率。还可以通过将平均功率除以脉冲调制的占空比来计算峰值功率。
占空比(dB) = 10 log(占空比比)
示例:对于平均功率为0dBm,占空比为15%的脉冲射频串:
0dBm + 10 log(0.15) = 8.24dBm峰值
尝试使用有代表性的脉冲序列或最坏的情况来获得峰值,将为您的脉冲峰值留出足够的空间。
第二步——算算——你需要增益数还是功率数?
你的应用程序决定了你想要放大器产生的信号电平(瓦特或dBm)或你需要的增益量。如果您需要特定的信号电平,则该功率电平与信号峰值功率之间的差值就是您所需的最小放大程度或增益。如果你有一个特定的增益要求,那么你的信号峰值功率加上增益将提供放大器产生所需的最小输出功率。
输出功率(dBm) -输入峰值功率(dBm) =增益(dB)要求
例如,您可能知道在天线上提供特定有效辐射功率(ERP)所需的峰值包络功率(PEP)。在这种情况下,对于峰值功率为+10dBm且期望PEP为50瓦的信号:
dBm = 10log(毫瓦)
10 log(50,000 mW) = +47 dBm
+47dBm PEP - 10dBm峰值= +37dB增益@ 50W峰值输出(+10 dBm输入)
许多射频放大器有不同的功率输入规格,但0 dBm是相当常见的。在上面的例子中,为了避免过度驱动放大器,可能需要给射频放大器输入增加10 dB衰减,以将输入功率降低到0 dBm。在这种情况下,示例如下所示:
+47dBm PEP - 10dBm峰值+ 10db衰减= +47dB增益(0 dBm输入)
如果您知道所需的增益,但不知道提供它所需的瓦数,将峰值功率加到增益,并将总和转换为瓦数:
峰值功率(dBm) +增益(dB) =峰值输出功率(dBm)
功率(Watts) = antilog10(dBm/10)
例如,您的峰值信号功率为+3dBm,并且需要40dB的增益来获得+43dBm的最终峰值功率电平来驱动更大的功率放大器。记住,增益增加3dB以补偿3dB衰减器,使输入电平达到0dBm:
0dBm峰值+ 40dB增益+ 3dB衰减= +43dBm = 20瓦峰值
如果您的信号电平低于0dBm,您可以搜索具有更高增益的放大器,将产生所需的功率电平步骤3.要确定放大器的最大输入功率电平,请从连续波P中减去增益1力量:
峰值输出功率dB -增益dB =峰值输入水平
例如,要找到20W放大器和48dB增益的峰值输入电平:
20W = +43dBm
+43dBm - 48dB = - 5dbm
步骤3 -窗口购物-选择类型,频率和功率
在此步骤中,您可以开始预选可能满足您的要求的放大器。这里是CW和脉冲安培将分歧。选择的另一个大断点是您是在购买“模块”还是系统。模块通常是一个较小的单元,带有或不带有散热器,通常没有任何控制或指示器,旨在集成到一个组件中。一个完整的系统是独立的,包括机箱,冷却,交直流电源,前面板和遥控器和指示灯。
由于放大器的设计频率范围通常大于功率水平,因此可以节省时间,首先根据功率输出,然后根据频率,然后根据增益来筛选供应商的列表。
记住,便宜的眼镜在洗衣店里会缩水成大一号的
在这个过程的早期阶段,根据比您认为需要的更大范围的宣传功率和频率进行初始选择是至关重要的。打印出任何潜在候选人的数据表,以便进一步审查步骤4.当你放大规格时,你会发现带边可能没有你想要的那么好,或者所引用的功率规格过于乐观。您可能需要一个覆盖范围更广的放大器,以改善整个频段的平整度,或者选择一个比指定额定值更强大的放大器,以获得合理的增益或功率边际。你可能还会发现另一个规格会使其他有吸引力的特性失效,比如放大器的谐波规格有点太大了。
第四步——比较苹果
在这里,您需要仔细查看规格。根据您到目前为止所选择的放大器,您需要做出明智的选择,哪些放大器将实际为您的应用程序提供增益和功率。在这一步要完成的重要事情是确保你在比较“苹果与苹果”,或者在这种情况下可用功率与可用功率。
信号线性度和可用性美国瓦茨
所有放大器都会在某种程度上压缩。因此,本讨论将跳过在放大器文献中经常看到的放大器操作类别的相对优点。放大器要么是A类,要么不是。如果是,放大器可以依赖于在整个线性功率范围内提供保真度、低失真和抗驻波比方面的优越性能。
AR模块化射频可以提供A类射频功率放大器,为最苛刻的应用,如KAW2180,最小100W双频带a类放大器,工作范围为0.01- 1000mhz。所有其他类型的射频放大器(通常是AB类)将提供更多的失真以换取效率,并且可能需要一些规格来计算您将真正获得多少线性瓦。
射频功率放大器的额定功率可以用多种瓦表示:平均,P1, CW,峰值,ALC瓦,甚至峰到峰(P-P)。在这里,您的工作是将所有结果“规范化”为一个共同且有意义的值,比如P1瓦特,所以可以进行直接比较。
P1权力vs饱和权力
所有放大器在较高的工作电平时都表现出增益压缩,这意味着增益(而不是电平)随着输入功率的增加而减小。功率偏离真实线性度1dB的输出电平通常被指定为P1点。即使是A类放大器也有P1点。P1功率电平是输出功率最有用的参考,因为它可以直接而准确地测量,并指示可以安全而保守地使用的实际功率极限。超越P1点,随着输入功率的增加,压缩也增加,直到偏离线性增益为-3dB,或发生在较低功率的功率输出的一半。这被称为饱和水平或P3..这一般不被认为是
饱和功率P3 - 2dB =可用功率P1
例如,对于指定为100W的P3饱和功率的安培,可以找到实际的“可用”功率,或P1电平:
P3 - 2dB = +48dBm P1 = antilog10(4.8) = 63瓦P1
当使用高于P的功率电平时,调制通常需要一些线性化才能有效1.你在这里的工作是查看到目前为止“合格”的放大器的所有规格,并确保对于任何指定为瓦的放大器,或P以外的任何东西1瓦特,你找到P1规范水平。如果您不这样做,您可能会发现额定功率是饱和电平。AR模块化射频通常指定低于P的最小功率电平1当额定功率输出时。看看是否有放大器规格提供了裕度,当你看P1功率水平,在你的比较中包括这个裕度。
得不偿失的事情吗?
确保你正在检查放大器的增益,可以提供你想要的功率,并参考它到你的信号电平。设计的输入功率电平可能与您的信号电平相差太远。你不希望添加前置放大器或使用过度的衰减,但在输入端添加少量衰减是很正常的。选择一个提供足够余量的放大器,你可以在输入端添加一个衬垫,以防你以后发现有必要降低放大器的功率。可变增益是设置系统级别的有用特性。
转换cw到am调制规格
如前所述,AM峰值功率为4倍CW功率或+6dB。使用CW瓦的P1电平来计算AM功率。用cw额定功率除以4(或减去6dB)来估计可用的AM功率。如果规格说“100W CW, AM, FM, PM, SSB”,这并不意味着你可以用100% AM调制100W载波。你应该能够用100% AM调制25W。对于功率不足的放大器,生产低失真AM的唯一选择是降低射频“驱动”到放大器,直到未调制载波为线性输出的25% (-6 dB),大大降低输出功率。如果最初的功率规格是饱和功率,这是一个特别糟糕的结果,因为结果又降低了37%。
连续波P1Watts ÷ 4 = AM峰值美国瓦茨
对于P1dB:
连续波P1dB - 6dB = AM峰值功率
平坦度和alc功率水平
大多数射频放大器指定平坦度。一般来说,频率覆盖范围越宽,平坦度规格就越宽松。平坦度是宽带设计质量相对质量的一个很好的指标。平坦的安培更容易使用,因为增益更可预测。
自动电平控制(ALC)是一种主要用于连续波调制的功能。带ALC的射频功率放大器除了P之外通常还指定一个ALC功率电平1瓦。ALC的主要功能是在放大器的输出端为器件提供超速保护。对于连续波信号,ALC电平定义放大器可用的最大射频电平,而不考虑驱动器电平。ALC可以帮助防止放大器的过驱动,也可以提供更好的平坦度,特别是对于连续波信号。一个可调ALC可以让你改变ALC水平低于P1点。ALC是一个“友好的”限制器,产生的失真比P低得多1.对于非连续波调制信号,ALC功能需要减慢或禁用,否则将导致严重失真。具有ALC快/慢选择的放大器可以为非连续波信号启用一些有限的ALC功能,但响应性较差。对于可变增益的放大器,将增益降低到ALC极限以下也会随着增益的降低而降低平坦度。
射频脉冲放大器-一个不同的世界
脉冲放大器是射频放大器的一个单独品种。脉冲放大器的额定功率为峰值瓦特,通常在饱和功率水平下运行,压缩对调制保真度没有影响。
特定脉冲放大器设计有两种类型,取决于脉冲调制方法。第一个,脉冲门控放大器,可以有一个连续波信号应用到输入和外部门控信号应用到放大器产生脉冲输出。或者,一个脉冲串被应用到安培输入和门控是用来安静之间的脉冲安培。该非门控类型具有专门用于保持具有快速上升时间的脉冲信号形状的设计特征。连续波额定放大器也可以通过脉冲,但最高的脉冲保真度是通过通常不包含在连续波放大器中的设计特性来获得的。如果您的主要要求是脉冲性能,请从具有正确峰值额定功率的脉冲放大器中选择。
谐波失真——麻烦就在一个八度之外
已经工作到一个短列表的安培,将满足你的P1,增益和频率要求,你需要选择一个低谐波水平的放大器,与其他类似的设计相比。谐波是放大器设计质量和应力的相对指标。谐波失真的测量单位是dBc,或功率电平与输出载波功率的比较。谐波规格差异很大,从相对较高的低十几度,如-13 dBc,到低得多的水平,如-60 dBc或更低。数字的高功率范围通常与宽频带放大器有关,它不能在谐波频率上使用滤波器,因为它在增益通带中。在增益通带之外,滤波器可以降低谐波,但大功率放大器后面的滤波器会变得非常热,这取决于吸收的能量,而这种热量会导致滤波器寿命短。对于带宽小于一个八度宽的较窄的放大器,更好的方案是使用保守的设计来减小它们,然后在需要时使用较冷的运行滤波器。在比较谐波规格时,请确保您了解任何较大的差异,因为它们可能是完全不同类型的放大器的结果。如果你需要谐波失真的绝对最小值,请使用a级放大器。
宽带或带交换-自动或手动传输?
最后,确保你的宽带工作频率是如何提供的,是通过“波段切换”还是通过真正的单一宽带设计。如果某些频率相距太远,同一设计就不能有效地放大它们。如果你能从一个频段切换到另一个频段(通过从一个放大器切换到另一个放大器),你可能会以更低的成本获得更好的增益、平坦度和谐波失真性能。
第五步——购买特色产品——“花里花哨”
当你的工作方式到此为止,你应该有一个在功率和频率范围内的可用放大器的简短列表,这些放大器有很好的机会满足你的需求。在这个选择中,您可以购买配件功能,使您的放大器更有用,如冲床,遥控器,可变增益控制,VSWR公差,效率或功耗,尺寸,其他类型的保护,接口,最后是成本。
一些无形的因素会对你最终选择的长期幸福感产生很大影响。其中最主要的是设计的稳健性,它表现为高于额定功率的增益或功率余量,这将等同于更长的寿命和更少的问题。其他因素包括供应商愿意根据您的特定需求调整设计,供应商对服务的长期承诺,以及响应性的客户支持。
关于阻抗失配公差
你可能会觉得一些重要的因素在这个选择过程中被忽略了,比如负载阻抗的可变性。事实上,没有人知道随机VSWR会发生什么。几乎任何事都是可能的,甚至是收获。最主要的是你要避免损坏放大器。记住,反射功率已经完成了它的工作,无论是天线还是另一个放大器,重要的是将信号准确地呈现到负载上,尽可能接近正确的电平,无论返回什么都能存活下来。AR模块化射频以可以承受几乎无限不匹配条件的射频功率放大器而闻名,如KAW4040, 200-500 MHz放大器额定500W CW(最小),P1远高于500W水平,全VSWR保护。
在这一点上,你可能会发现没有放大器是完美的适合你。AR Modular RF想和您谈谈您的要求。我们经常生产高质量的定制放大器模块和系统,并可以修改我们现有的设计来满足您的需求。AR Modular RF在华盛顿的Bothell制造我们所有的放大器,在那里公司已经获得了近40年的制造和支持最好的RF功率放大器的声誉。