大功率寬帶射頻脈沖功率放大器設(shè)計(jì)

1、大功率線性射頻放大器模塊廣泛應(yīng)用于電子對抗、雷達(dá)、探測等重要的通訊系統(tǒng)中，其寬頻 帶、大功率的產(chǎn)生技術(shù)是無線電子通訊系統(tǒng)中的一項(xiàng)非常關(guān)鍵的技術(shù)。隨著現(xiàn)代無線通訊技 術(shù)的發(fā)展，寬頻帶大功率技術(shù)、寬頻帶跳頻、擴(kuò)頻技術(shù)對固態(tài)線性功率放大器設(shè)計(jì)提出了更 高的要求，即射頻功率放大器頻率寬帶化、輸出功率更大化、整體設(shè)備模塊化。通常情況下，在HFVHF頻段設(shè)計(jì)的寬帶射頻功放，采用場效應(yīng)管(FET )設(shè)計(jì)要比使 用常規(guī)功率晶體管設(shè)計(jì)方便簡單，正是基于場效應(yīng)管輸入阻抗比較高，且輸入阻抗相對頻率 的變化不會(huì)有太大的偏差，易于阻抗匹配，另外偏置電路比較簡單，設(shè)計(jì)的放大電路增益高， 線性好。本文的大功率寬頻帶線性射頻

2、放大器是利用(MOSFET)來設(shè)計(jì)的，采取AB類推挽式功 率放大方式，其工作頻段為O 6M10MHz，輸出的脈沖功率為1200W。經(jīng)調(diào)試使用，放大 器工作穩(wěn)定，性能可靠。調(diào)試、試驗(yàn)和實(shí)用時(shí)使用的測試儀器有示渡器、頻譜分析儀、功率 汁、大功率同軸衰減器、網(wǎng)絡(luò)分析儀和射頻信號(hào)發(fā)生器。1 脈沖功率放大器設(shè)計(jì)11 電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的寬頻帶大功率脈沖放大器模塊要求工作頻段大于4個(gè)倍頻程，而且輸出功率大， 對諧波和雜波有較高的抑制能力；另外由于諧波是在工作頻帶內(nèi)，因此要求放大器模塊具有 很高的線性度。針對設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中射頻功率放大器放大鏈采用三級場效應(yīng)管，全部選用MOSFET。 每級放大均采用 AB 類功率

3、放大模式，且均選用推挽式，以保證功率放大器模塊可以寬帶工 作。考慮到供電電源通常使用正電壓比較方便，因此選用增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)管。另外為了 展寬頻帶和輸出大功率，采用傳輸線寬帶匹配技術(shù)和反饋電路，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由于本射頻功率放大器輸出要求為大功率脈沖式發(fā)射，因此要求第一、二級使用的 MOSFET應(yīng)具備快速開關(guān)切換，以保證脈沖調(diào)制信號(hào)的下降沿和上升沿完好，減少雜波和諧 波的干擾。設(shè)計(jì)中第一、二級功率放大選用MOSFET為IRF510和IRF530。最后一級功放 要求輸出脈沖功率達(dá)到1200W，為避免使用功率合成技術(shù)，選用MOSPRT MRF157作為最 后的功率輸出級。所設(shè)計(jì)的射頻脈沖功率放大

4、器電路原理圖如圖1所示。圖1點(diǎn)擊此處查看全部新聞圖片發(fā)射通道的建立都是在信號(hào)源產(chǎn)生射頻信號(hào)后經(jīng)過幾級的中間級放大才把信號(hào)輸入到 功率放大級，最后通過天線把射頻信號(hào)發(fā)射出去。圖1中，輸入信號(hào)為2021dBm, 50Q輸入；工作電壓為15V和一 48V,其中15V 為第一、二級功放提供工作電壓， 48V 為最后一級功放提供工作電壓； 6V 穩(wěn)壓輸出可以使 用 15V 或 48V 進(jìn)行穩(wěn)壓變換，電路整體設(shè)計(jì)采用 AB 類功率放大，設(shè)計(jì)的駐波比為 19。 經(jīng)過中間級放大后的信號(hào)，首先通過Tl（4： 1）阻抗變換后進(jìn)人功率放大器。在信號(hào)的上半 周期Q1導(dǎo)通，信號(hào)的下半周期Q2導(dǎo)通；然后輪流通過T2（16

5、： 1）阻抗變換進(jìn)入第二級放 大，同樣信號(hào)的上半周期 Q3 導(dǎo)通，下半周期 Q4 導(dǎo)通，完成整個(gè)信號(hào)全周期的能量放大； 進(jìn)入最后一級放大時(shí)使用T3（4： 1）阻抗變換，以繼續(xù)增加工作電流驅(qū)動(dòng)大功率 MOSFETMRF157。為保證50G輸出，輸出端的阻抗變換為T4（1： 9）。電路中使用負(fù)反饋電路的目的是在整個(gè)帶寬頻率響應(yīng)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)相對平穩(wěn)的功率增益，保持增益的線性度，同時(shí)引進(jìn)負(fù)反饋電路，有利于改善輸入回?fù)p和低頻端信號(hào)功率放大的穩(wěn)定性另外每一級電路設(shè)計(jì)中，都使用了滑動(dòng)變阻器來設(shè)置每個(gè)管子的偏置電壓，這樣做大大 降低了交越失真的發(fā)生，盡可能使放大信號(hào)在上、下半周期的波形不失真。1. 2電路板（P

6、CB）和設(shè)計(jì)為保證整個(gè)頻帶內(nèi)信號(hào)放大的一致性，降低雜波和諧波的影響，寬頻帶高功率射頻放大 器采用了 AB 類功率放大，以保證電路的對稱性。在設(shè)計(jì) PCB 時(shí)，盡量保證銅膜走線的形式 對稱，長度相同。為便于PcB板介電常數(shù)的選取，整個(gè)PCB板為鉛錫光板。在信號(hào)輸入和 輸出端使用了 Smith圓圖軟件計(jì)算和仿真銅膜走線的形狀、尺寸，以確保阻抗特性良好匹 配。設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)之一就是傳輸線變壓器的設(shè)計(jì)和制作。利用傳輸線阻抗變換器可以完 成信號(hào)源與功率MOSFET管輸入端或輸出端之間的阻抗匹配。可以最大限度地利用管子本 身的帶寬潛能。傳輸線變壓器在設(shè)計(jì)使用上有兩點(diǎn)必須注意：一是源阻抗、負(fù)載阻抗和傳輸

7、線阻抗的匹配關(guān)系；二是輸入端和輸出端必須滿足規(guī)定的連接及接地方式。由于設(shè)計(jì)中采用 了 AB類功率放大方式，因此初級線圈的輸入與次級線圈的輸出要盡可能保證對稱。設(shè)計(jì)中 一共使用了 T1、T2、T3、T4 4個(gè)傳輸線變壓器。在前兩級功率放大時(shí)，T1和T2的次級 線圈都是一圈，T3的次級線圈是二圈，這是因?yàn)榇挪牧系娘柡徒?jīng)常發(fā)生在低頻端，增加T3 的初、次級線圈數(shù)，有利于改善低頻端性能。T1、T2、T3使用同軸線SFF-1. 5-1的芯 線作為初級線圈傳輸線，次級線圈采用銅箔材料設(shè)計(jì)，使用厚度為O. 8mm的銅箔。T4為 進(jìn)口外購的高功率傳輸線變壓器（型號(hào)：RF2067-3R）。設(shè)計(jì)的T1如圖2所示。

8、圖2阻抗變班器71設(shè)計(jì)圖2點(diǎn)擊此處查看全部新聞圖片圖 2 中深色區(qū)域代表覆銅區(qū)域。銅箔管首先穿過磁環(huán)后再穿過兩端的銅膜板并焊接在 一起，完成次級線圈。T2的設(shè)計(jì)基本與Tl相似，只是使用同軸線SFF-1. 5-1的芯線纏 繞的初級線圈圈數(shù)不同而已。73 次級線圈的制作有些變化，目的是加強(qiáng)低頻信號(hào)的通過程度。不使用銅箔管，而使 用銅箔彎曲成弧形。如圖 3 所示。圖3, Bl圖3, Bl抗變壓韓73設(shè)計(jì)圖AutoMKnet圖3點(diǎn)擊此處查看全部新聞圖片在每個(gè)磁環(huán)孔中穿過兩個(gè)銅箔片，分別與兩端的銅膜板焊接，這樣整個(gè)線圈的次級線圈 就是兩圈，然后根據(jù)阻抗比完成初級線圈的纏繞。這樣做的目的是在固定的阻抗比的

9、情況下 增加初、次級的圈數(shù)以改善放大器的低頻特性。13 散熱設(shè)計(jì)凡是射頻功率放大，其輸出功率很大，管子的功耗也大，發(fā)熱量非常高，因此必須對管 子散熱。根據(jù)每一級管子的功耗PD以及管子的熱特性指標(biāo)，這些熱指標(biāo)包括器件管芯傳到 器件外殼的熱阻ROJC,器件允許的結(jié)溫為T1、工作環(huán)境溫度為TA等，可以計(jì)算出需要使 用的散熱材料的尺寸大小和種類。本設(shè)計(jì)中，器件的工作環(huán)境溫度為55C,使用的鋁質(zhì)散 熱片尺寸為2 90mmx110mmx35mm，而且需要使用直流風(fēng)機(jī)對最后一級MOSFET進(jìn)行散熱處 理。2 脈沖功率放大器的組裝和調(diào)試設(shè)計(jì)中使用的放大管全是MOSFET,由于其抗靜電性能非常差，稍不留神就會(huì)因

10、為焊接 設(shè)備上的靜電把管子燒壞，尤其是最后一級的大功率MOSFET(MRFl57)，因此管子安裝時(shí) 要特別小心。設(shè)計(jì)電路前，可以使用Multisim軟件或Pspice軟件中的器件模型來熟悉 IRFSIO 和 IRF530 的使用。電路開始調(diào)試時(shí)，可以先不對最后一級的MOSFETMRF157進(jìn)行偏置電壓設(shè)置。先通過 測試前兩級的放大效果來設(shè)定MRF157的靜態(tài)工作點(diǎn)，測試得到的前兩級信號(hào)放大結(jié)果為 100V Vp-p(咼阻輸入)左右。調(diào)試時(shí)每個(gè)管子的工作點(diǎn)電壓不要太咼，略咼于開啟電壓 VC(TH) 即可。在電源端一定要監(jiān)視工作電流，防止電流過大。通過微調(diào)每個(gè)管子?xùn)艠O端的 變壓器調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)，以求盡量減少波形失真。此時(shí)可以使用示波器監(jiān)控波形輸出。根據(jù) 對前兩級電路調(diào)試的實(shí)際結(jié)果來看，第一級主要對放大后的幅度有影響，而第二級則影響了 放大后的波形。調(diào)試最后一級功率放大時(shí)，由于MRF157太過昂貴，一定要非常謹(jǐn)慎。每次調(diào)試時(shí)， 盡可能先設(shè)置好每個(gè)管子的靜態(tài)工作電壓，不要?jiǎng)討B(tài)改變靜態(tài)工作點(diǎn)。終端接入 5011 大功