大功率寬帶射頻脈沖功率放大器設(shè)計

　　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?。傳輸線變壓器在設(shè)計使用上有兩點必須注意：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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jǐn)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(jìn)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。