一种短波发射机的功放滤波电路

技术领域

本发明属于短波通信技术领域，尤其涉及一种短波发射机的功放滤波电路。

背景技术

由于短波发射机输入功率较大，为了满足线性度和效率的要求，功率放大电路多采用甲乙类推挽放大形式。其输出谐波分量中，三次谐波分量最大，与主峰差距约为15dBc。为了满足短波电台的电磁兼容性，防止谐波分量对自身或其他设备造成干扰，需采取滤波器对功率放大后的信号进行谐波滤除。

现役的机载军用短波电台电性能要求主要参照GJB 1127A《机载短波单边带通信设备通用规范》，其中对谐波分量抑制要求为≥50dB。而GJB 151B《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》中，CE106天线端口传导发射试验对发射机的要求为：除二次和三次谐波以外的所有谐波发射和乱真发射均应至少低于基波电平80dB，二次和三次谐波抑制应抑制到-20dBm或80dB，取抑制要求较小者。即额定输出功率100W的短波发射机，其二、三次谐波抑制应大于70dB，其余所有乱真发射抑制大于80dB。GJB 151B对短波发射机的要求远大于GJB 1127A的规定，而现役的短波电台均采取谐波抑制≥50dB的要求，无法满足日益复杂的电磁环境和防干扰要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种短波发射机的功放滤波电路，其功率放大模块将输入的激励信号可控放大至100W，同时，谐波滤除模块对放大后的功率信号进行谐波、杂波分量的滤除，使谐波抑制能力满足GJB151B对短波发射机的要求，具有更强的抗干扰能力。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

一种短波发射机的功放滤波电路，包括：依次串联的功率放大模块和谐波滤除模块，其中，所述功率放大模块包含依次串联的小信号放大电路、驱动放大电路和功率放大电路，所述小信号放大电路和驱动放大电路分别为甲类放大电路，所述功率放大电路为甲乙类放大电路；所述谐波滤除模块包含椭圆低通滤波器和波段控制电路，所述椭圆低通滤波器分为多个波段进行分段滤波，由波段控制电路进行滤波波段的选择。

进一步地，所述短波发射机的输出功率为100W。

进一步地，所述小信号放大电路包含幅度调整电路、宽带放大器、变压器和第一偏置电路；所述宽带放大器的正电源端接输入电压，负电源端接地，所述宽带放大器的输入端与幅度调整电路串联，输出端与变压器的输入端连接；所述输入电压与宽带放大器的正电源端之间设置第一偏置电路；所述变压器将其输入信号进行阻抗匹配，输出至所述驱动放大电路。

进一步地，所述驱动放大电路包含第一晶体管、功分器和第二偏置电路，所述第一晶体管的基极与所述小信号放大电路的输出端连接，且在该基极与输出端之间设置有第二偏置电路；所述第一晶体管的集电极分两路输出，其中一路与功分器的输入端连接，另一路通过第一负反馈电路连接至第一晶体管的基极；所述第一晶体管的发射极接地；所述功分器将一路输入信号变成两路平衡信号输出至功率放大电路。

更进一步地，所述功率放大电路包含第二晶体管、第三晶体管、功率合成器和第三偏置电路，所述第二晶体管和第三晶体管的基极分别与所述驱动放大电路的一个输出端对应连接，且该两个基极与驱动放大电路的输出端之间设置第三偏置电路；所述第二晶体管和第三晶体管的集电极分别分为两路输出，其中一路分别与功率合成器的一个输入端连接，另一路分别通过第二负反馈电路和第三负反馈电路反馈至第二晶体管和第三晶体管的基极，所述第二晶体管和第三晶体管的发射极分别接地；所述功率合成器将其输入端的两路平衡信号合成为一路不平衡信号输出至谐波滤除模块。

进一步地，所述椭圆低通滤波器包含七个滤波波段，每个滤波波段对应一个滤波网络子电路。

更进一步地，所述七个滤波波段分别为I、II、III、IV、V、VI和VII，2.0MHz≤I＜3.0MHz，3.0MHz≤II＜5.0MHz，5.0MHz≤III＜7.0MHz，7.0MHz≤IV＜10.0MHz，10.0MHz≤V＜14.0MHz，14.0MHz≤VI＜20.0MHz，20.0MHz≤VII＜30.0MHz。

更进一步地，每个滤波网络子电路为一个九阶椭圆低通滤波器。

更进一步地，当接通I、II或III波段对应的滤波网络子电路时，其对应的九阶椭圆低通滤波器的阻抗为40Ω；

当接通IV、V或VI波段对应的滤波网络子电路时，其对应的九阶椭圆低通滤波器的阻抗为50Ω；

当接通VII波段对应的滤波网络子电路时，其对应的九阶椭圆低通滤波器的阻抗为60Ω。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过电路设计能够将短波发射机的输出功率放大至100W，保证发射功率，同时通过谐波滤除模块的分波段滤波和九阶椭圆低通滤波器，使得全频段谐波抑制能力提升为二、三次谐波分量抑制大于70dB，其余所有杂散发射分量大于80dB，能够满足GJB 151B的相关要求，提高了发射机的抗干扰能力。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明的功率放大模块电路图；

图2为本发明实施例的小信号放大电路图；

图3为本发明实施例的驱动放大电路图；

图4为本发明实施例的功率放大电路图；

图5为本发明的谐波滤除模块电路图；

图6为本发明实施例的九阶椭圆低通滤波器电路图；

图7为本发明实施例的第I波段幅频特性曲线图；

图8为现役短波发射机的幅频曲线图；

图9为采用本发明功放滤波电路的短波发射机的幅频曲线图；

以上图中，1功率放大模块；11小信号放大电路；111幅度调整电路；112宽带放大器；113变压器；114第一偏置电路；12驱动放大电路；121第一晶体管；122功分器；123第二偏置电路；13功率放大电路；131第二晶体管；132第三晶体管；133第三偏置电路；134功率合成器；2谐波滤除模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例及效果作进一步详细描述。

参考图1和图5，本发明提出一种短波发射机的功放滤波电路，包括：依次串联的功率放大模块1和谐波滤除模块2，其中，所述功率放大模块1包含依次串联的小信号放大电路11、驱动放大电路12和功率放大电路13，所述小信号放大电路11和驱动放大电路12分别为甲类放大电路，所述功率放大电路13为甲乙类放大电路；所述谐波滤除模块2包含椭圆低通滤波器和波段控制电路，所述椭圆低通滤波器分为多个波段进行分段滤波，由波段控制电路进行滤波波段的选择。

具体地，所述小信号放大电路11包含幅度调整电路111、MMIC宽带放大器112、变压器113和第一偏置电路114；所述MMIC宽带放大器112的正电源端接输入电压，负电源端接地，所述MMIC宽带放大器112的输入端与幅度调整电路111串联，输出端与变压器113的输入端连接；所述输入电压与MMIC宽带放大器112的正电源端之间设置第一偏置电路114；所述变压器113将其输入信号进行阻抗匹配，输出至所述驱动放大电路12。

如图2所示，小信号放大电路11的总增益约为17dB。幅度调整电路111和变压器113组成阻抗匹配电路，幅度调整电路111为由R1、R2、R3组成的T型衰减器，变压器113即T1的原边与副边的电压之比为2∶7；MMIC宽带放大器112即N1的正电源端接VCC为28V工作电压。当射频激励信号输入时，通过R1、R2、R3进行幅度调整，再送至宽带放大器112即N1进行小信号放大，最后通过变压器113即T1进行阻抗匹配，使得小信号放大级的输出阻抗与驱动放大级的输入阻抗匹配。第一偏置电路114由电感L1和电容C1构成，为宽带放大器112即N1提供偏置电压，使得N1工作在甲类线性工作状态。

进一步地，所述驱动放大电路12包含第一晶体管121、功分器122和第二偏置电路123，所述第一晶体管121的基极与所述小信号放大电路11的输出端连接，且在该基极与输出端之间设置有第二偏置电路123；所述第一晶体管121的集电极分两路输出，其中一路与功分器122的输入端连接，另一路通过第一负反馈电路连接至第一晶体管121的基极；所述第一晶体管121的发射极接地；所述功分器122将一路输入信号变成两路平衡信号输出至功率放大电路13。

如图3所示，第一晶体管121即N2为一个NPN型中功率功放管，驱动放大电路12的总增益约为14dB。其中，功分器122为输入输出电压比为2：1的变压器113即T2，能够将不平衡的驱动信号功分为平衡的两路，分别馈至功率放大电路13的两个输入端。第二偏置电路123由电位器RP1、电阻R4、电感L2、电感L3和电容C2构成；负反馈电路由电阻R5、R6和电容C3、C4构成；电源VCC为28V工作电压。当小信号放大电路11的输出信号输入至驱动放大电路12时，第二偏置电为第一晶体管121即N2提供偏置电压，使得N2工作在甲类线性放大工作状态，N2放大后的信号一部分通过负反馈电路反馈至N2的基极，可以调整N2的放大能力，防止信号自激，另一部分通过功分器122即T2转换为平衡的两路信号，分别作为功率放大电路13的输入信号。

更进一步地，所述功率放大电路13包含第二晶体管131、第三晶体管132、功率合成器134和第三偏置电路133，所述第二晶体管131和第三晶体管132的基极分别与所述驱动放大电路12的一个输出端对应连接，且该两个基极与驱动放大电路12的输出端之间设置第三偏置电路133；所述第二晶体管131和第三晶体管132的集电极分别分为两路输出，其中一路分别与功率合成器134的一个输入端连接，另一路分别通过第二负反馈电路和第三负反馈电路反馈至第二晶体管131和第三晶体管132的基极，所述第二晶体管131和第三晶体管132的发射极分别接地；所述功率合成器134将其输入端的两路平衡信号合成为一路不平衡信号输出至谐波滤除模块2。

如图4所示，第二晶体管131即N3、第三晶体管132即N4分别为NPN型大功率功放管，功率放大电路13的总增益约为14dB。其中，功率合成器134由输入输出电压比1∶3的变压器即T3和匹配电容C7组成，能够将输出的两路平衡信号输出为一路不平衡信号；第三偏置电路133由电位器RP2和电感L4构成；负反馈电路由电阻R7、R8电容C5、C6构成；电源电压为28V。当平衡的两路功率放大电路13的输入信号送至第二晶体管131即N3、第三晶体管132即N4的基极时，通过调整RP2的电压可以使N3、N4工作在甲乙类推挽放大工作状态；第二晶体管131即N3、第三晶体管132即N4的输出信号的一部分通过负反馈电路馈至N3、N4的基极，可以调整N3、N4的放大能力，防止信号自激；另一部分通过电容C7和变压器113即T3进行功率合成，将平衡的两路信号变为一路不平衡信号，送至谐波滤除模块2。

本发明功率放大模块1输出的谐波特性为三次谐波分量最高，二次和五次稍小，其他次谐波分量可忽略不计，且低频段信号的谐波分量仍在功率放大部分工作频段内。

常用的滤波网络设计形式有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器，由于短波低频段内主频和谐波分量频差非常小，本发明采用通带到阻带衰减特性最陡峭的椭圆滤波器作为滤波形式；同时，为了满足较小的带内插损和较大的带外抑制，并尽可能采用较小的电路规模，本发明采用七个波段进行分段滤波。椭圆低通滤波器包含七个滤波波段，每个滤波波段对应一个滤波网络子电路。

如图5所示，本发明谐波滤除模块2整体采用七波段九阶椭圆低通滤波器，即将2MHz～30MHz的工作频段划分为七个滤波网络子电路，每个滤波网络子电路采用一个九阶椭圆低通滤波器。滤波网络子电路由大功率差模磁环电感和射频多层瓷介电容组成，具体如图6所示。通过配置不同的取值参数即可实现不同的截止频率、带内插损和带外抑制。本发明谐波滤除模块2的波段划分如下表所示。

表1谐波滤除部分波段划分

当功率放大模块1进行放大发射时，波段控制信号根据当前波段信息，控制谐波滤除模块2中的继电器，将射频通道切换至对应波段的滤波网络子电路，放大后的射频信号由输入端进入滤波网络子电路滤除无用信号后，再由输出端送至后端负载。由于谐波抑制要求变高，对功率放大模块1和谐波滤除模块2之间阻抗匹配程度的要求也随之变高，在进行椭圆低通滤波器设计时，由于功率放大模块1的输出阻抗在工作频段内呈上升变化趋势，因此为了满足全频段内阻抗匹配，防止不匹配引起的回波损耗增大，本发明中I、II、III波段滤波网络子电路的输入阻抗为40Ω，IV、V、VI波段滤波网络子电路的输入阻抗为50Ω，VII波段滤波网络子电路的输入阻抗为60Ω。保证不同波段滤波网络子电路的输入阻抗根据功率放大部分输出阻抗动态调整。

以第I波段为例，说明九阶椭圆低通滤波器对射频信号抑制能力。该波段ADS仿真结果如图7所示。

当功率放大模块1放大后的射频信号从第I波段滤波器输入端输入时，该波段的九阶椭圆低通滤波器按照图7所示的幅频特性曲线对射频信号进行滤波处理。该波段的工作频率范围为2MHz～2.9999MHz，其产生的谐波范围为4MHz～∞，通常20倍频以上的谐波分量可忽略不计。图中m1为第I波段的起始频率，m2为第I波段的截止频率，m3为第I波段最小谐波起始频率；S(1，2)表示该频点的反向传输系数，即该频点的插入损耗。可以看出，该频段的谐波分量的起始频率为4MHz，后续频点的抑制值相比带内均大于≥70dB。考虑到谐波分量中最大分量三次谐波低于主频约15dBc，因此本发明采用的网络抑制能力能够满足CE106项试验的要求。

验证试验

现役100W短波发射机和安装本发明功放滤波电路的短波发射机，以第I波段为例，进行CE106项发射状态测试，结果如图8和图9所示，图8为现役短波发射机测试结果，图9为本发明测试结果。

从图8可以看出，现役100W短波发射机在2MHz频点处发射时，其主频峰值约为157dBμV，即输出功率100W，此时的二次谐波抑制比为65.5dB，三次谐波抑制比为56.7dB，四次谐波抑制比为79.2dB，五次谐波抑制比为73.7dB。而采用本发明模块的短波发射机其主频峰值与现役一致，二次谐波抑制比为80.3dB，三次谐波抑制比为72.5dB，四次谐波抑制比为86.3dB，五次谐波抑制比为84.9dB。五次以上谐波分量幅值较小，与扫描底噪相近，可忽略不计。从以上测试结果可以看出，现役的短波发射机五次谐波分量内的抑制能力均不能满足GJB 151B的要求，而装有本发明的短波发射机抑制能力均能满足GJB 151B的要求，验证了本发明的有效性。

本发明设计的新型100W短波功放滤波电路模块，全频段谐波抑制能力提升为二、三次谐波分量抑制均大于70dB，其余所有杂散发射分量大于80dB，能够满足GJB 151B的相关要求。实际上，采用本发明的设备已于中电天奥校准/检测试验室电磁兼容试验中心通过了CE106试验。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。