電暈檢測系統中低噪放大器的設計

　　摘要：遠距離檢測電暈放電現象，對于減少放電損耗和避免電氣故障，具有重要的指導意義。在由螺旋天線(xiàn)、無(wú)源濾波器、低噪放大器等組成的遠距離電暈檢測系統中，信號經(jīng)無(wú)源濾波后受到較大程度的衰減，為提高信噪比需進(jìn)行放大處理。根據電暈檢測系統指標，采用晶體管構成深度負反饋放大電路，將其三級級聯(lián)，設計出能與濾波器接口和后端的同軸電纜的接口較好的匹配的低噪放大器。利用ADS軟件進(jìn)行仿真并進(jìn)行實(shí)際現場(chǎng)測試，結果表明放大器符合設計標準，具有良好的輸人/輸出匹配性能，帶寬和增益的取舍需要根據實(shí)際要求來(lái)平衡，為電暈檢測系統的成功設計奠定了基礎。

　　引言

　　隨著(zhù)我國電力事業(yè)的持續蓬勃發(fā)展以及特高壓輸電工程的投入使用，電暈放電的危害日益凸顯。在目前的檢測電暈放電現象領(lǐng)域中，主要的檢測方法有人工目視法、紅外熱成像檢測法、紫外光譜檢測法、脈沖電流檢測法和超聲波檢測法^[1-3]等。但是這些方法普遍存在檢測距離近的局限，不適用于電暈放電的遠距離檢測。近年來(lái)，遠距離的檢測方法成為電暈放電現象檢測的熱點(diǎn)。本文基于一種遠距離的檢測法——電磁檢測法^[2]，研究設計了一套電暈放電檢測系統。該系統主要由螺旋天線(xiàn)、無(wú)源濾波器、低噪放大器三部分組成，可以實(shí)現遠距離檢測電暈放電現象。在這套電暈檢測系統中，高頻寬帶低噪放大器起著(zhù)至關(guān)重要的作用。故本文在大概介紹電暈檢測系統的總體架構的基礎上，著(zhù)重來(lái)介紹低噪放大器^[4-6](LNA，Low Noise Amplifier)的設計過(guò)程。

　　1 電暈檢測系統檢測原理及架構

　　當發(fā)生電暈放電現象時(shí)，會(huì )伴隨有電磁輻射信號發(fā)出，其具有非常明顯的波形特征。因此電暈放電產(chǎn)生的電磁輻射信號可以作為檢測電暈放電現象的突破口。本文所述電暈檢測系統檢測電暈放電現象所采用的方法就是——電磁檢測法。在電暈檢測系統中必須選擇特定的頻帶來(lái)檢測電暈放電產(chǎn)生的電磁輻射信號，從而有效的避開(kāi)廣播電臺、手機信號等各個(gè)干擾信號所在頻帶范圍。本文選定220MHz-280MHz為特征頻帶進(jìn)行電暈放電電磁輻射信號的檢測，經(jīng)過(guò)調研相關(guān)的資料文獻^[7]和戶(hù)外實(shí)驗，這個(gè)頻帶在無(wú)線(xiàn)電頻譜規劃中是相對空閑的，沒(méi)有什么空間無(wú)線(xiàn)電信號的干擾。

　　本文所述電暈檢測系統的總體設計流程如圖1所示。

　　首先，螺旋天線(xiàn)對準高壓電力設備或是高壓輸電線(xiàn)的某段位置，當有電暈放電現象發(fā)生時(shí)，其就會(huì )激發(fā)電磁場(chǎng)產(chǎn)生空間電磁波信號。天線(xiàn)將接收到的信號送入后端的無(wú)源模擬濾波器進(jìn)行濾波。由于信號本身就很微弱并且還經(jīng)過(guò)了無(wú)源濾波器，所以這時(shí)需要通過(guò)低噪放大器進(jìn)行相應的幅度放大，然后利用不等長(cháng)的同軸電纜對天線(xiàn)接收到的信號進(jìn)行相應的延時(shí)反相。

　　其中高頻寬帶放大器除了補償前級無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò )的衰減外，還對信號作進(jìn)一步的放大，可以較大幅度的提高電暈放電輻射信號的信噪比，使信號達到后端信號采集設備的采集分辨范圍，以使所接收的信號能夠精確被采集。所以這里的低噪放大器的設計決定了電暈檢測系統的精確程度，是電暈檢測系統設計的關(guān)鍵所在，也是本文論述的重點(diǎn)。

　　2 低噪放大器的設計

　　2.1 設計標準

　　在本文中，設計低噪放大器應該滿(mǎn)足以下方面的指標：① 噪聲系數≤2dB;② 放大增益≥30dB;③ 特征頻帶為：220MHz-280MHz;④本設計中全部采用50Ω的接口和耦合，故放大器的輸入/輸出阻抗一定要嚴格匹配到50Ω;⑤低噪放大器穩定工作，不能夠產(chǎn)生自激。

　　綜合以上五個(gè)方面的內容，接下來(lái)就展開(kāi)對低噪聲放大器的探索設計。

　　2.2 輸入回路

　　在低噪放大器的前端，為了進(jìn)一步提高天線(xiàn)接收信號的信噪比，本文在此處引入一個(gè)無(wú)源模擬濾波器作為輸入回路，提取出特征頻帶(220MHz-280MHz)內的信號，抑制帶外干擾信號。

　　本文在此采用的模擬濾波器是一個(gè)LC無(wú)源帶通濾波器，該輸入回路是一種集總參數電路，其電路原理圖2所示。其由保護電路、低通濾波器、高通濾波器和兩個(gè)高頻陷波器^[8]四部分組成。

　　圖2中：D1、D2、L1為輸入保護電路，它并接在天線(xiàn)輸入端，其中D1和D2選用型號為1SS355的高速開(kāi)關(guān)二極管，其目的是保護第一級高頻放大管。因為在電暈放電現象發(fā)生的瞬間，極短時(shí)間內會(huì )產(chǎn)生很大的沖擊幅度，很容易對電路造成損壞。故當有異常的高壓出現在輸入端時(shí)，需要有限幅保護電路來(lái)發(fā)揮作用。該開(kāi)關(guān)二極管的反向擊穿電壓為80V，反向電流為0.1µA，反向恢復時(shí)間為4ns，耗時(shí)極短，正向導通電壓1.2V，正向導通最大電流225mA，結電容小于3pF，其特性非常適合用于保護電路。 L1為抵消二極管結電容設置，它與開(kāi)關(guān)二極管的結電容構成一個(gè)低Q值的并聯(lián)諧振回路，兩個(gè)二極管并聯(lián)的結電容值為6pF，L1的值為0.068µH，將其帶入公式

　　計算可得其諧振頻點(diǎn)的值為249MHz，即中心頻率點(diǎn)。