大功率寬帶射頻脈沖功率放大器設(shè)計(jì)

　　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(lèi)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?？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(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(lèi)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O.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Tl相似，只是使用同軸線SFF-1.5-l的芯線纏繞的初級(jí)線圈圈數(shù)不同而已。

　　73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。

　　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ROJC，器件允許的結(jié)溫為T(mén)1、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(lèi)。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(MRFl57)，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IRFSIO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MOSFETMRFl57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VC(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MRFl57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(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。