基于MOS場效應(yīng)管的大功率寬帶射頻脈沖功率放大器設(shè)計
大功率寬頻帶線性射頻放大器模塊廣泛應(yīng)用于電子對抗、雷達、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、擴頻技術(shù)對固態(tài)線性功率放大器設(shè)計提出了更高的要求,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)計的寬帶射頻功放,采用場效應(yīng)管(FET)設(shè)計要比使用常規(guī)功率晶體管設(shè)計方便簡單,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場效應(yīng)管(MOSFET)來設(shè)計的,采取AB類推挽式功率放大方式,其工作頻段為O 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、試驗和實用時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)分析儀和射頻信號發(fā)生器。
1 脈沖功率放大器設(shè)計
1.1 電路設(shè)計
設(shè)計的寬頻帶大功率脈沖放大器模塊 要求工作頻段大于4個倍頻程,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)計要求,設(shè)計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??紤]到供電電源通常使用正電壓比較方便,因此選用增強型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,以達到設(shè)計要求。
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)制信號的下降沿和上升沿完好,減少雜波和諧波的干擾。設(shè)計中第一、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到1200W,為避免使用功率合成技術(shù),選用MOSPRT MRFl57作為最后的功率輸出級。所設(shè)計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源產(chǎn)生射頻信號后經(jīng)過幾級的中間級放大才把信號輸入到功率放大級,最后通過天線把射頻信號發(fā)射出去。
圖1中,輸入信號為20~21dBm,50Ω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進行穩(wěn)壓變換,電路整體設(shè)計采用AB類功率放大,設(shè)計的駐波比為1.9。經(jīng)過中間級放大后的信號,首先通過Tl(4:1)阻抗變換后進人功率放大器。在信號的上半周期Q1導(dǎo)通,信號的下半周期Q2導(dǎo)通;然后輪流通過T2(16:1)阻抗變換進入第二級放大,同樣信號的上半周期Q3導(dǎo)通,下半周期Q4導(dǎo)通,完成整個信號全周期的能量放大;進入最后一級放大時使用T3(4:1)阻抗變換,以繼續(xù)增加工作電流驅(qū)動大功率MOSFETMRFl57。為保證50Ω輸出,輸出端的阻抗變換為T4(1:9)。
電路中使用負反饋電路的目的是在整個帶寬頻率響應(yīng)內(nèi)產(chǎn)生一個相對平穩(wěn)的功率增益,保持增益的線性度,同時引進負反饋電路,有利于改善輸入回損和低頻端信號功率放大的穩(wěn)定性。
另外每一級電路設(shè)計中,都使用了滑動變阻器來設(shè)置每個管子的偏置電壓,這樣做大大降低了交越失真的發(fā)生,盡可能使放大信號在上、下半周期的波形不失真。
1.2 電路板(PCB)和傳輸線變壓器設(shè)計
為保證整個頻帶內(nèi)信號放大的一致性,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PCB時,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PCB板為鉛錫光板。在信號輸入和輸出端使用了Smith圓圖軟件計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)計中的關(guān)鍵技術(shù)之一就是傳輸線變壓器的設(shè)計和制作。利用傳輸線阻抗變換器可以完成信號源與功率MOSFET管輸入端或輸出端之間的阻抗匹配??梢宰畲笙薅鹊乩霉茏颖旧淼膸挐撃堋鬏斁€變壓器在設(shè)計使用上有兩點必須注意:一是源阻抗、負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)計中一共使用了T1、T2、T3、T4 4個傳輸線變壓器。在前兩級功率放大時,T1和T2的次級線圈都是一圈,T3的次級線圈是二圈,這是因為磁材料的飽和經(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,使用厚度為O.8mm的銅箔。T4為進口外購的高功率傳輸線變壓器(型號:RF2067-3R)。設(shè)計的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)計基本與Tl相似,只是使用同軸線SFF-1.5-l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,目的是加強低頻信號的通過程度。不使用銅箔管,而使用銅箔彎曲成弧形。如圖3所示。
在每個磁環(huán)孔中穿過兩個銅箔片,分別與兩端的銅膜板焊接,這樣整個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情況下增加初、次級的圈數(shù)以改善放大器的低頻特性。
1.3 散熱設(shè)計
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,可以計算出需要使用的散熱材料的 尺寸大小和種類。本設(shè)計中,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)機對最后一級MOSFET進行散熱處理。
2 脈沖功率放大器的組裝和調(diào)試
設(shè)計中使用的放大管全是MOSFET,由于其抗靜電性能非常差,稍不留神就會因為焊接設(shè)備上的靜電把管子燒壞,尤其是最后一級的大功率MOSFET(MRFl57),因此管子安裝時要特別小心。設(shè)計電路前,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,可以先不對最后一級的MOSFETMRFl57進行偏置電壓設(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,測試得到的前兩級信號放大結(jié)果為100V Vp-p(高阻輸入)左右。調(diào)試時每個管子的工作點電壓不要太高,略高于開啟電壓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)每個管子?xùn)艠O端的變壓器調(diào)整靜態(tài)工作點,以求盡量減少波形失真。此時可以使用示波器監(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,由于MRFl57太過昂貴,一定要非常謹慎。每次調(diào)試時,盡可能先設(shè)置好每個管子的靜態(tài)工作電壓,不要動態(tài)改變靜態(tài)工作點。終端接入5011大功率同軸衰減器后輸入到頻譜分析儀中。通過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)計的寬頻帶大功率放大器在實驗室環(huán)境下完成了組裝和測試,并長時間與發(fā)射線圈進行了聯(lián)試。試驗及實用表明,該放大器運行正常,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)計要求,對在該頻段下工作的某探測設(shè)備起了很大作用,效果良好。