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脈沖功率放大器設(shè)計(jì)

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。

考慮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MOSPRT MRFl57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(guò)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(guò)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和一48V，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(guò)中間級(jí)放大后的信號(hào)，首先通過(guò)Tl（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(guò)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MOSFETMRFl57。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(lái)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。

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。

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T1、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。

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