CN201699655U - Uhf数字电视发射机功率放大装置及设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于提高广播数字电视发射机工作效率的功率放大装置及功率放大设备，它通过把多个并行的功率放大管设置成不同的工作状态，从影响效率和线性的因素出发，根据输入信号的包络电压来决定功率放大管栅极电压的大小，来逐渐开启功放管并放大信号，影响线性的因素主要包括阻抗特性、单管匹配、增益、输出延迟线等。这种功率放大器应用到UHF数字电视发射机中，以实验测试结果得出效率比传统的功率放大器提高将近一倍，从而减小散热压力，简化散热和电源设计；在发射机中实际应用本实用新型时，能够节省相当可观的电力资源，符合国家节能环保的政策。

Description

UHF数字电视发射机功率放大装置及设备

技术领域

本实用新型涉及一种在广播数字电视***中的高效率功率放大装置及功放设备，尤其涉及一种高效率UHF数字电视发射机功率放大装置及功放设备。

背景技术

随着现在数字传输中一些大峰均比的信号的采用，加上节能环保的要求，要求功放在大动态范围内对大峰均比的信号均能保持较高的效率。设计更高效率的功放就成了众多工程师的目标，在传统的数字电视广播发射机中，功率放大器采用宽带甲乙类大功率LDMOS场效应晶体管放大器，功放***采用传统的功率合成技术，效率很低，功耗很大，功率放大器作为发射机末端重要的部件之一，消耗了发射机绝大部分功率。特别是现代数字传输通信速率高，发射信号峰均比较大，功耗也大，效率很低。

在典型发射机中能量使用的分析表明：激励器(或调制器)和接口电路使用相对小的功率值，总功率的大部分(约55～60％)是由功放所使用，而另外则由致冷和交流到直流的变换使用剩下的30～35％(这里所使用的功率很大程度上也是由于功放的热耗散引起的)，也就是说，功放和致冷需要比较大的功率，且交流到直流的变换过程中也会损失部分功率，造成设备整体效率较低，而功放所需要的功率却与它的效率直接有关，因此，提高功放的效率就显得非常有必要。

综上，在目前的设备中.功放的效率非常低。功率放大器所需要电力的年花费随功放PA效率的变化而变化，所以改善功放效率可以显著改善运行成本。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种高效率的UHF数字电视发射机功率放大装置，在能够满足信号质量的条件下，大大提高功率放大器的效率，消耗更少的电能。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种UHF数字电视发射机功率放大装置，包括第一功分器、第一功放器、第二功放器、第一栅极电压、第二栅极电压、第一微带线、第二微带线、第三微带线、PK点和阻抗匹配电路；

第一功放器的一个输入端与第一栅极电压电连接，其另一输入端与第一功分器的第一输出端电连接；第二功放器的一个输入端与第二栅极电压电连接，其另一输入端与第一功分器的第二输出端电连接；所述第一功放器和所述第二功放器通过PK点与第三微带线电连接，第三微带线与阻抗匹配电路的输入端连接；

所述第一功放器工作在线性状态；所述第二功放器工作在非线性状态；输入信号经过第一功分器分为两路信号，第一路信号直接送入第一功放器，经第一功放器放大后的信号由第一微带线输出为第一放大信号；第二路信号由第二微带线送入第二功放器，经第二功放器放大后的信号直接输出为第二放大信号；第一放大信号和第二放大信号在PK点汇流后由第三微带线送入阻抗匹配电路匹配后直接输出。

本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种UHF数字电视发射机功率放大设备，包括使用上所述的功放装置，包括第二功分器、第三功分器、第四功分器、第一功放装置、第二功放装置、第三功放装置、第四功放装置、第一合路器、第二合路器、第三合路器；

输入信号由第二功分器分为两路信号，第一路信号送入第三功分器，第二路信号送入第四功分器；经第三功分器输出的两路信号一路送入第一功放装置，另一路送入第二功放装置，经第四功分器输出的两路信号一路送入第三功放装置，另一路送入第四功放装置；

第一功放装置和第二功放装置放大后的信号送入第二合路器进行信号合路，第三功放装置和第四功放装置放大后的信号送入第三合路器进行信号合路，第二合路器和第三合路器将信号合路后的输出信号送入第一合路器进行信号合路，第一合路器直接输出放大信号。

本实用新型的有益效果是：区别于现有技术采用的甲乙类大功率LDMOS场效应晶体管放大器功率合成技术，本实用新型通过把两个并行的功率放大器设置成不同的工作模式，根据输入信号的包络电压来决定功率放大管栅极电压的大小，来逐渐开启功放管并放大信号。应用本实用新型的UHF数字电视发射机中，用实验测试结果得出效率比传统的设计方法提高将近一倍，从而减小散热压力，简化散热和电源设计。

附图说明

图1是本实用新型功率放大装置实施例的结构方框图；

图2是本实用新型功率放大装置实施例的电路图；

图3是本实用新型功率放大设备实施例的结构方框图。

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1及图2，UHF数字电视发射机功率放大装置结构方框图所示：信号输入端1、第一功分器2、第一功放器3、第二功放器4、第一栅极电压Vm、第二栅极电压Vo、第一微带线5、第二微带线6、PK点、第三微带线7、PK点，阻抗匹配电路8、信号输出端9；

第一功放器3的一个输入端与第一栅极电压Vm电连接，其另一输入端与第一功分器2的第一输出端电连接；第二功放器4的一个输入端与第二栅极电压Vo电连接，其另一输入端与第一功分器2的第二输出端电连接；所述第一功放器3和所述第二功放器4通过PK点与第三微带线7电连接，第三微带线与阻抗匹配电路的输入端电连接；

第一功放器3为主功放，工作在线性模式；第二功放器4为辅助功放，工作在非线性模式；输入信号由信号输入端1经过第一功分器分为两路信号，第一路信号直接送入第一功放器3，经第一功放器3放大后的信号由第一微带线5输出为第一放大信号；第二路信号由第二微带线6送入第二功放器4，经第二功放器4放大后的信号直接输出为第二放大信号；第一放大信号和第二放大信号在PK点汇流后由第三微带线7送入阻抗匹配电路8匹配后由信号输出端9直接输出。通过把两个并行的功率放大器设置成不同的工作模式，从影响效率和线性的因素出发，第二功放器根据输入信号的功率分配来包络该第二功放器栅极电压Vm和Vo的大小，开启第二功放器并逐渐放大信号。影响线性的因素主要包括如阻抗特性、单管效率、单管匹配、增益、输出延迟线等。

本实用新型UHF数字电视发射机功率放大装置电路图示出了：1个功分器、2个功率放大器和具有不同阻抗的微带线。上面的主功放3为载频放大器(Carrier Amplifier)，该放大器工作在线性状态，即AB类放大模式；下面的辅助功放4为峰值放大器(Peaking Amplifier)，该放大器工作在非线性状态，即C类放大模式。在整个放大器的动态范围内，其负载性能随着输入功率的变化呈现动态调整；动态负载调整，是由一个阻抗匹配电路8来实现的。

UHF数字电视发射机功率放大方法，通过把并行设置的第一功放器和第二功放器设置成不同的工作状态，第二功放器根据输入信号的功率大小，把信号电压作为管子的栅极自偏置电压，小信号时，信号电压较小，第二功放管开启不了，只有第一功放管正常工作；只有当输入信号功率达到一定程度时，第二功放管才能开启并放大信号。分配来包络所述第二栅极电压的大小，开启第二功放器并逐渐放大信号，具体为包括：

a.当低功率输入时，第一功放器工作在线性放大模式；第二功放器处于关断状态，第二功放器的输出端口的阻抗为无穷大；

b.当中功率输入时，第二功放器开启，增加所述第二功放器输出的电流，控制所述第一功放器的输出电压不变且输出阻抗减小，功率放大装置输出功率增大；

c.当高功率输入时，控制第二功放器工作在线性放大状态，使PK点的等效阻抗降低，调整第二功放器的输出端口的阻抗，使得第一功放的输出端口实现50欧姆的等效阻抗，功率放大装置输出功率进一步增大；

d.当饱和功率输入时，第二功放器饱和工作，整体效率达到最大。

第二功放器根据输入信号的功率分配来包络该第二栅极电压的大小，开启第二功放器并逐渐放大信号是这样实现的：输入信号经第一功分器分为两路信号，一路信号送入第一功放器做线性放大，另一路信号送入第二功放器。当输入信号功率增大，第二功放器获得的输入功率为其额定功率的四分之一时，栅极电压Vo超过门限值，使得第二功放器开启并逐渐放大信号。

所述第一微带线和第二微带线的参数均为50Ω，1/4λ，所述第三微带线的参数为35Ω，1/4λ。

本实施例的功率放大工作过程是这样实现的：

(1)在低功率输入情况下，由于峰值放大器工作在C类放大模式，所以此时处于关断状态，可以认为其输出端口的阻抗为无穷大。这时只有主功放工作，对于主放大器来说，在低功率情况下主放大器工作在AB类功放模式，其增益增加，带来了效率的增加，同时弥补了峰值放大器的增益损失。

(2)当输入功率达到开启辅助功放时，根据负载牵引技术，随着辅助功放的电流增加，主功放的视在输出阻抗将减小，而此时主功放的输出电压不变，因此在保证高效率的同时，增加了输出功率。

(3)在高功率输入情况下，由于峰值放大器开始工作，从而拉低了PK点的等效阻抗，通过适当调整峰值放大器的工作状态(主要是峰值放大器的工作点的调整)，可以实现在主放大器的输出端口实现50欧姆的等效阻抗。这样就保证了在不改变栅极电压Vm偏压的情况下，载波放大器能够输出更高的功率，从而提高了功率放大器整体的效率。随着输入功率的进一步加大，峰值放大器接近饱和的时候，整体效率接近一个B类功放。当输入功率达到激励峰值时，辅助功放也达到了自己效率的最大点，这样两个功放合在一起的效率就远远高于单个功放的效率。

UHF数字电视发射机功率放大装置由于受功率放大器功率的限制，其额定功率不能做到非常大，那么我们可以将多个功率放大器组合起来使用，以增强功率适应范围，以下公开的UHF数字电视发射机功率放大设备就是利用4个功率放大装置组合使用扩大额定功率的例子。

如图3所示，UHF数字电视发射机功率放大设备，包括使用如图2所示的四个功放装置，包括第二功分器U1、第三功分器U2、第四功分器U3、第一功放装置U4、第二功放装置U5、第三功放装置U6、第四功放装置U7、第一合路器U8、第二合路器U9、第三合路器U10；输入信号RFIN被第二功分器U1分为两路信号，第一路信号送入第三功分器U2，第二路信号送入第四功分器U3；经第三功分器U2输出的两路信号一路送入第一功放装置U4，另一路送入第二功放装置U5，经第四功分器U3输出的两路信号一路送入第三功放装置U6，另一路送入第四功放装置U7；第一功放装置U4和第二功放装置U5放大后的信号送入第二合路器U9进行信号合路，第三功放装置U6和第四功放装置U7放大后的信号送入第三合路器U10进行信号合路，第二合路器U9和第三合路器U10将信号合路后的输出信号送入第一合路器U8进行信号合路，第一合路器直接输出放大信号RFOUT。

数字电视发射机最重要的就是末级功放，按上述方案设计成的功放装置，通过把多个并行的功率放大管设置成不同的工作状态，末级功率放大管由固定的栅极电压改为根据输入信号的包络电压来决定功率放大管栅极电压的大小，使其和输入信号包络同步，这样可以得到更高效率，也保证数字电视发射机所需的功率，同时功放装置的一致性，能让数字自适应预校正技术更好的自校，达到所需要的带肩比，保证被传输信号具有尽可能低的调制误码率，保证发射机发出去的信号始终处于高指标状态。

为了获得高的频谱效率，所有的数字电视***都使用OFDM、宽的信道带宽和复杂的调制电路。要保证有良好的调制精度、噪声和杂散发射性能，就要求在发射机中使用线性(AB类)功率放大器。所以本实施例采用一种高效率UHF数字电视发射机功率放大器设计方法，根据输入信号的包络电压来决定功率放大管栅极电压的大小，使得线性(AB类)功率放大器在高性能情况下很大程度的提高了效率。高的功放效率不仅可以降低发射机的设计成本，同样还降低致冷和备份设施等初期的投资成本和长远的维护成本。

本实用新型公开了一种用于提高广播数字电视发射机工作效率的功率放大装置及功率放大设备，它通过把多个并行的功率放大管设置成不同的工作状态，从影响效率和线性的因素出发，根据输入信号的包络电压来决定功率放大管栅极电压的大小，来逐渐开启功放管并放大信号，影响线性的因素主要包括阻抗特性、单管匹配、增益、输出延迟线等。这种功率放大器应用到UHF数字电视发射机中，以实验测试结果得出效率比传统的功率放大器提高将近一倍，从而减小散热压力，简化散热和电源设计；在发射机中实际应用本实用新型时，能够节省相当可观的电力资源，符合国家节能环保的政策。

中国是广播电视大国，广电是用电大户，电费占了运行维护费的大部分，广播电视的运行维护费之大可想而知。提高数字电视发射机的效率，对于降低运行成本和减少对环境污染意义重大。采用新技术可以建立经济、高效、环境污染小的广播电视覆盖网。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种UHF数字电视发射机功率放大装置，其特征在于，包括第一功分器、第一功放器、第二功放器、第一栅极电压、第二栅极电压、第一微带线、第二微带线、第三微带线、PK点和阻抗匹配电路；

第一功放器的一个输入端与第一栅极电压电连接，其另一输入端与第一功分器的第一输出端电连接；第二功放器的一个输入端与第二栅极电压电连接，其另一输入端与第一功分器的第二输出端电连接；所述第一功放器和所述第二功放器通过PK点与第三微带线电连接，第三微带线与阻抗匹配电路的输入端连接；

所述第一功放器工作在线性状态；所述第二功放器工作在非线性状态；输入信号经过第一功分器分为两路信号，第一路信号直接送入第一功放器，经第一功放器放大后的信号由第一微带线输出为第一放大信号；第二路信号由第二微带线送入第二功放器，经第二功放器放大后的信号直接输出为第二放大信号；第一放大信号和第二放大信号在PK点汇流后由第三微带线送入阻抗匹配电路匹配后直接输出。

2.根据权利要求1所述的UHF数字电视发射机功率放大装置，其特征在于：所述第一功放为载频放大器，工作在AB类线性工作模式；所述第二功放为峰值放大器，工作在C类非线性工作模式；所述第一微带线、第二微带线、第三微带线三条微带线之间具有不同的阻抗；所述阻抗匹配电路根据输入功率的变化自动态调整负载。

3.根据权利要求2所述的UHF数字电视发射机功率放大装置，其特征在于：所述第一微带线和第二微带线的参数均为50Ω，1/4λ，所述第三微带线的参数为35Ω，1/4λ。

4.一种UHF数字电视发射机功率放大设备，包括使用如权利要求1所述的功放装置，其特征在于，包括第二功分器、第三功分器、第四功分器、第一功放装置、第二功放装置、第三功放装置、第四功放装置、第一合路器、第二合路器、第三合路器；所述第一功放装置、第二功放装置、第三功放装置和第四功放装置均为如权利要求1所述的功放装置；

输入信号由第二功分器分为两路信号，第一路信号送入第三功分器，第二路信号送入第四功分器；经第三功分器输出的两路信号一路送入第一功放装置，另一路送入第二功放装置，经第四功分器输出的两路信号一路送入第三功放装置，另一路送入第四功放装置；

第一功放装置和第二功放装置放大后的信号送入第二合路器进行信号合路，第三功放装置和第四功放装置放大后的信号送入第三合路器进行信号合路，第二合路器和第三合路器将信号合路后的输出信号送入第一合路器进行信号合路，第一合路器直接输出放大信号。

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