中心論題：
- 脈沖功率放大器設(shè)計(jì)
- 脈沖功率放大器的組裝和調(diào)試
解決方案：
- 電路設(shè)計(jì)
- 電路板(PCB)和傳輸線變壓器設(shè)計(jì)
- 散熱設(shè)計(jì)
大功率寬頻帶線性射頻放大器模塊廣泛應(yīng)用于電子對(duì)抗、雷達(dá)、探測(cè)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(wú)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(wú)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(duì)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HF~VHF頻段設(shè)計(jì)的寬帶射頻功放，采用場(chǎng)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(jiǎn)單，正是基于場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗比較高，且輸入阻抗相對(duì)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(jiǎn)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放大器是利用MOS場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)來(lái)設(shè)計(jì)的，采取AB類推挽式功率放大方式，其工作頻段為0.6M~10MHz，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(cè)試儀器有示波器、頻譜分析儀、功率計(jì)、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。
脈沖功率放大器設(shè)計(jì)
a.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(duì)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(duì)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(jí)場(chǎng)效應(yīng)管，全部選用MOSFET。每級(jí)放大均采用AB類功率放大模式，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(chǎng)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(jí)使用的MOSFET應(yīng)具備快速開(kāi)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(jí)功率放大選用MOSFET為IRF510和IRF530。最后一級(jí)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MOSFET MRF157作為最后的功率輸出級(jí)。所設(shè)計(jì)的射頻脈沖功率放大器電路原理圖如圖1所示。
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(guò)幾級(jí)的中間級(jí)放大才把信號(hào)輸入到功率放大級(jí)，最后通過(guò)天線把射頻信號(hào)發(fā)射出去。
圖1中，輸入信號(hào)為20~21dBm，50Ω輸入；工作電壓為15V和48V，其中15V為第一、二級(jí)功放提供工作電壓，48V為最后一級(jí)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1.9。經(jīng)過(guò)中間級(jí)放大后的信號(hào)，首先通過(guò)T1(4:1)阻抗變換后進(jìn)入功率放大器。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(guò)T2(16:1)阻抗變換進(jìn)入第二級(jí)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(jí)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MOSFET MRF157。為保證50Ω輸出，輸出端的阻抗變換為T(mén)4(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(duì)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(jí)電路設(shè)計(jì)中，都使用了滑動(dòng)變阻器來(lái)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。
b.電路板(PCB)和傳輸線變壓器設(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(duì)稱性。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，盡量保證銅膜走線的形式對(duì)稱，長(zhǎng)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(jí)線圈的輸入與次級(jí)線圈的輸出要盡可能保證對(duì)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(jí)功率放大時(shí)，T1和T2的次級(jí)線圈都是一圈，T3的次級(jí)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(jí)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(jí)線圈傳輸線，次級(jí)線圈采用銅箔材料設(shè)計(jì)，使用厚度為0.8mm的銅箔。T4為進(jìn)口外購(gòu)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。
圖2中深色區(qū)域代表覆銅區(qū)域。銅箔管首先穿過(guò)磁環(huán)后再穿過(guò)兩端的銅膜板并焊接在一起，完成次級(jí)線圈。T2的設(shè)計(jì)基本與T1相似，只是使用同軸線SFF-1.5-1的芯線纏繞的初級(jí)線圈圈數(shù)不同而已。
T3次級(jí)線圈的制作有些變化，目的是加強(qiáng)低頻信號(hào)的通過(guò)程度。不使用銅箔管，而使用銅箔彎曲成弧形。如圖3所示。
在每個(gè)磁環(huán)孔中穿過(guò)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(jí)線圈就是兩圈，然后根據(jù)阻抗比完成初級(jí)線圈的纏繞。這樣做的目的是在固定的阻抗比的情況下增加初、次級(jí)的圈數(shù)以改善放大器的低頻特性。
c.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(duì)管子散熱。根據(jù)每一級(jí)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RθJC，器件允許的結(jié)溫為T(mén)J、工作環(huán)境溫度為T(mén)A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55℃，使用的鋁質(zhì)散熱片尺寸為290mm×110mm×35mm，而且需要使用直流風(fēng)機(jī)對(duì)最后一級(jí)MOSFET進(jìn)行散熱處理。
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?yàn)楹附釉O(shè)備上的靜電把管子燒壞，尤其是最后一級(jí)的大功率MOSFET(MRF157)，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(lái)熟悉IRF510和IRF530的使用。
電路開(kāi)始調(diào)試時(shí)，可以先不對(duì)最后一級(jí)的MOSFET MRF157進(jìn)行偏置電壓設(shè)置。先通過(guò)測(cè)試前兩級(jí)的放大效果來(lái)設(shè)定MRF157的靜態(tài)工作點(diǎn)，測(cè)試得到的前兩級(jí)信號(hào)放大結(jié)果為100V Vp-p(高阻輸入)左右。調(diào)試時(shí)每個(gè)管子的工作點(diǎn)電壓不要太高，略高于開(kāi)啟電壓VGS(TH)即可。在電源端一定要監(jiān)視工作電流，防止電流過(guò)大。通過(guò)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(duì)前兩級(jí)電路調(diào)試的實(shí)際結(jié)果來(lái)看，第一級(jí)主要對(duì)放大后的幅度有影響，而第二級(jí)則影響了放大后的波形。
調(diào)試最后一級(jí)功率放大時(shí)，由于MRF157太過(guò)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50Ω大功率同軸衰減器后輸入到頻譜分析儀中。通過(guò)頻譜分析儀的頻域波形可以得到輸出功率，以及諧波分量。
本文所設(shè)計(jì)的寬頻帶大功率放大器在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下完成了組裝和測(cè)試，并長(zhǎng)時(shí)間與發(fā)射線圈進(jìn)行了聯(lián)試。試驗(yàn)及實(shí)用表明，該放大器運(yùn)行正常，工作可靠，能夠完成寬頻帶射頻脈沖的大功率放大，滿足了設(shè)計(jì)要求，對(duì)在該頻段下工作的某探測(cè)設(shè)備起了很大作用，效果良好。
