摘 要： 利用MOS場(chǎng)效應(yīng)管" title="場(chǎng)效應(yīng)管">場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET),，采取AB類推挽式功率放大" title="功率放大">功率放大方式,，采用傳輸線變壓器寬帶匹配技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種寬頻帶" title="寬頻帶">寬頻帶高功率射頻脈沖功率放大器模塊,，其輸出脈沖功率達(dá)1200W,，工作頻段0.6M~10MHz。調(diào)試及實(shí)用結(jié)果表明,，該放大器工作穩(wěn)定,，性能可靠。
關(guān)鍵詞： MOS場(chǎng)效應(yīng)管 AB類功率放大 推挽 傳輸線變壓器 寬頻帶
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。
1 脈沖功率放大器設(shè)計(jì)
1.1 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" title="工作電壓">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" title="導(dǎo)通">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,。
1.2 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。
1.3 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,。
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?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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