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大功率寬帶射頻脈沖功率放大器設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2008-10-13 來源:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第22研究所研發(fā)中心

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(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??紤]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)過中間級(jí)放大后的信號(hào),首先通過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(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。銅箔管首先穿過磁環(huán)后再穿過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TJ、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熟悉IRF510和IRF530的使用。
  
電路開始調(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。先通過測(cè)試前兩級(jí)的放大效果來設(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(duì)前兩級(jí)電路調(diào)試的實(shí)際結(jié)果來看,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。

 

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