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        基于MOS場(chǎng)效應管的大功率寬帶射頻脈沖功率放大器設計

        發(fā)布時(shí)間:2020-10-20    欄目行業(yè):產(chǎn)品知識    瀏覽次數:

        大功率寬頻帶線(xiàn)性射頻放大器模塊廣泛應用于電子對抗、雷達、探測等重要的通訊系統中,其寬頻帶、大功率的產(chǎn)生技術(shù)是無(wú)線(xiàn)電子通訊系統中的一項非常關(guān)鍵的技術(shù)。隨著(zhù)現代無(wú)線(xiàn)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(xiàn)性功率放大器設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、整體設備模塊化。

        通常情況下,在HF~VHF頻段設計的寬帶射頻功放,采用場(chǎng)效應管(FET)設計要比使用常規功率晶體管設計方便簡(jiǎn)單,正是基于場(chǎng)效應管輸入阻抗比較高,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(jiǎn)單,設計的放大電路增益高,線(xiàn)性好。

        本文的大功率寬頻帶線(xiàn)性射頻放大器是利用MOS場(chǎng)效應管(MOSFET)來(lái)設計的,采取AB類(lèi)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)調試使用,放大器工作穩定,性能可靠。調試、試驗和實(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 )分析儀和射頻信號發(fā)生器。

        1 脈沖功率放大器設計

        1.1 電路設計

        設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(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,因此要求放大器模塊具有很高的線(xiàn)性度。

        針對設計要求,設計中射頻功率放大器放大鏈采用三級場(chǎng)效應管,全部選用MOSFET。每級放大均采用AB類(lèi)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(chǎng)效應管。另外為了展寬頻帶和輸出大功率,采用傳輸線(xiàn)寬帶匹配技術(shù)和反饋電路,以達到設計要求。

        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應具備快速開(kāi)關(guān)切換,以保證脈沖調制信號的下降沿和上升沿完好,減少雜波和諧波的干擾。設計中第一、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。所設計的射頻脈沖功率放大器電路原理圖如圖1所示。

        基于MOS場(chǎng)效應管的大功率寬帶射頻脈沖功率放大器設計

         

        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(guò)幾級的中間級放大才把信號輸入到功率放大級,最后通過(guò)天線(xiàn)把射頻信號發(fā)射出去。

        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穩壓輸出可以使用15V或48V進(jìn)行穩壓變換,電路整體設計采用AB類(lèi)功率放大,設計的駐波比為1.9。經(jīng)過(guò)中間級放大后的信號,首先通過(guò)Tl(4:1)阻抗變換后進(jìn)人功率放大器。在信號的上半周期Q1導通,信號的下半周期Q2導通;然后輪流通過(guò)T2(16:1)阻抗變換進(jìn)入第二級放大,同樣信號的上半周期Q3導通,下半周期Q4導通,完成整個(gè)信號全周期的能量放大;進(jìn)入最后一級放大時(shí)使用T3(4:1)阻抗變換,以繼續增加工作電流驅動(dòng)大功率MOSFETMRFl57。為保證50Ω輸出,輸出端的阻抗變換為T(mén)4(1:9)。

        電路中使用負反饋電路的目的是在整個(gè)帶寬頻率響應內產(chǎn)生一個(gè)相對平穩的功率增益,保持增益的線(xiàn)性度,同時(shí)引進(jìn)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定性。

        另外每一級電路設計中,都使用了滑動(dòng)變阻器來(lái)設置每個(gè)管子的偏置電壓,這樣做大大降低了交越失真的發(fā)生,盡可能使放大信號在上、下半周期的波形不失真。

        1.2 電路板(PCB)和傳輸線(xiàn)變壓器設計

        為保證整個(gè)頻帶內信號放大的一致性,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(lèi)功率放大,以保證電路的對稱(chēng)性。在設計PCB時(shí),盡量保證銅膜走線(xiàn)的形式對稱(chēng),長(cháng)度相同。為便于PcB板介電常數的選取,整個(gè)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(xiàn)的形狀、尺寸,以確保阻抗特性良好匹配。

        設計中的關(guān)鍵技術(shù)之一就是傳輸線(xiàn)變壓器的設計和制作。利用傳輸線(xiàn)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?。傳輸線(xiàn)變壓器在設計使用上有兩點(diǎn)必須注意:一是源阻抗、負載阻抗和傳輸線(xiàn)阻抗的匹配關(guān)系;二是輸入端和輸出端必須滿(mǎn)足規定的連接及接地方式。由于設計中采用了AB類(lèi)功率放大方式,因此初級線(xiàn)圈的輸入與次級線(xiàn)圈的輸出要盡可能保證對稱(chēng)。設計中一共使用了T1、T2、T3、T4 4個(gè)傳輸線(xiàn)變壓器。在前兩級功率放大時(shí),T1和T2的次級線(xiàn)圈都是一圈,T3的次級線(xiàn)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(xiàn)圈數,有利于改善低頻端性能。T1、T2、T3使用同軸線(xiàn)SFF-1.5-1的芯線(xiàn)作為初級線(xiàn)圈傳輸線(xiàn),次級線(xiàn)圈采用銅箔材料設計,使用厚度為O.8mm的銅箔。T4為進(jìn)口外購的高功率傳輸線(xiàn)變壓器(型號:RF2067-3R)。設計的T1如圖2所示。

        基于MOS場(chǎng)效應管的大功率寬帶射頻脈沖功率放大器設計

         

        2中深色區域代表覆銅區域。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,完成次級線(xiàn)圈。T2的設計基本與Tl相似,只是使用同軸線(xiàn)SFF-1.5-l的芯線(xiàn)纏繞的初級線(xiàn)圈圈數不同而已。

        73次級線(xiàn)圈的制作有些變化,目的是加強低頻信號的通過(guò)程度。不使用銅箔管,而使用銅箔彎曲成弧形。如圖3所示。

        基于MOS場(chǎng)效應管的大功率寬帶射頻脈沖功率放大器設計

         

        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(xiàn)圈的次級線(xiàn)圈就是兩圈,然后根據阻抗比完成初級線(xiàn)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、次級的圈數以改善放大器的低頻特性。

        1.3 散熱設計

        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。根據每一級管子的功耗PD以及管子的熱特性指標,這些熱指標包括器件管芯傳到器件外殼的熱阻ROJC,器件允許的結溫為T(mén)1、工作環(huán)境溫度為T(mén)A等,可以計算出需要使用的散熱材料的 尺寸大小和種類(lèi)。本設計中,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(jìn)行散熱處理。

        2 脈沖功率放大器的組裝和調試

        設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(huì )因為焊接設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。設計電路前,可以使用Multisim軟件或Pspice軟件中的器件模型來(lái)熟悉IRFSIO和IRF530的使用。

        電路開(kāi)始調試時(shí),可以先不對最后一級的MOSFETMRFl57進(jìn)行偏置電壓設置。先通過(guò)測試前兩級的放大效果來(lái)設定MRF157的靜態(tài)工作點(diǎn),測試得到的前兩級信號放大結果為100V Vp-p(高阻輸入)左右。調試時(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VC(TH)即可。在電源端一定要監視工作電流,防止電流過(guò)大。通過(guò)微調每個(gè)管子柵極端的變壓器調整靜態(tài)工作點(diǎn),以求盡量減少波形失真。此時(shí)可以使用示波器監控波形輸出。根據對前兩級電路調試的實(shí)際結果來(lái)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。

        調試最后一級功率放大時(shí),由于MRFl57太過(guò)昂貴,一定要非常謹慎。每次調試時(shí),盡可能先設置好每個(gè)管子的靜態(tài)工作電壓,不要動(dòng)態(tài)改變靜態(tài)工作點(diǎn)。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(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。

        本文所設計的寬頻帶大功率放大器在實(shí)驗室環(huán)境下完成了組裝和測試,并長(cháng)時(shí)間與發(fā)射線(xiàn)圈進(jìn)行了聯(lián)試。試驗及實(shí)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(mǎn)足了設計要求,對在該頻段下工作的某探測設備起了很大作用,效果良好。


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