大功率寬帶射頻脈沖功率放大器設計

　　1.2 電路板(PCB)和傳輸線(xiàn)變壓器設計

　　為保證整個(gè)頻帶內信號放大的一致性，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(lèi)功率放大，以保證電路的對稱(chēng)性。在設計PCB時(shí)，盡量保證銅膜走線(xiàn)的形式對稱(chēng)，長(cháng)度相同。為便于PcB板介電常數的選取，整個(gè)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(xiàn)的形狀、尺寸，以確保阻抗特性良好匹配。

　　設計中的關(guān)鍵技術(shù)之一就是傳輸線(xiàn)變壓器的設計和制作。利用傳輸線(xiàn)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(xiàn)變壓器在設計使用上有兩點(diǎn)必須注意：一是源阻抗、負載阻抗和傳輸線(xiàn)阻抗的匹配關(guān)系;二是輸入端和輸出端必須滿(mǎn)足規定的連接及接地方式。由于設計中采用了AB類(lèi)功率放大方式，因此初級線(xiàn)圈的輸入與次級線(xiàn)圈的輸出要盡可能保證對稱(chēng)。設計中一共使用了T1、T2、T3、T4 4個(gè)傳輸線(xiàn)變壓器。在前兩級功率放大時(shí)，T1和T2的次級線(xiàn)圈都是一圈，T3的次級線(xiàn)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(xiàn)圈數，有利于改善低頻端性能。T1、T2、T3使用同軸線(xiàn)SFF-1.5-1的芯線(xiàn)作為初級線(xiàn)圈傳輸線(xiàn)，次級線(xiàn)圈采用銅箔材料設計，使用厚度為O.8mm的銅箔。T4為進(jìn)口外購的高功率傳輸線(xiàn)變壓器(型號：RF2067-3R)。設計的T1如圖2所示。

　　圖2中深色區域代表覆銅區域。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，完成次級線(xiàn)圈。T2的設計基本與Tl相似，只是使用同軸線(xiàn)SFF-1.5-l的芯線(xiàn)纏繞的初級線(xiàn)圈圈數不同而已。

　　73次級線(xiàn)圈的制作有些變化，目的是加強低頻信號的通過(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(xiàn)圈的次級線(xiàn)圈就是兩圈，然后根據阻抗比完成初級線(xiàn)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、次級的圈數以改善放大器的低頻特性。

　　1.3 散熱設計

　　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。根據每一級管子的功耗PD以及管子的熱特性指標，這些熱指標包括器件管芯傳到器件外殼的熱阻ROJC，器件允許的結溫為T(mén)1、工作環(huán)境溫度為T(mén)A等，可以計算出需要使用的散熱材料的 尺寸大小和種類(lèi)。本設計中，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試

　　設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(huì )因為焊接設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(shí)要特別小心。設計電路前，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)始調試時(shí)，可以先不對最后一級的MOSFETMRFl57進(jìn)行偏置電壓設置。先通過(guò)測試前兩級的放大效果來(lái)設定MRF157的靜態(tài)工作點(diǎn)，測試得到的前兩級信號放大結果為100V Vp-p(高阻輸入)左右。調試時(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。在電源端一定要監視工作電流，防止電流過(guò)大。通過(guò)微調每個(gè)管子柵極端的變壓器調整靜態(tài)工作點(diǎn)，以求盡量減少波形失真。此時(shí)可以使用示波器監控波形輸出。根據對前兩級電路調試的實(shí)際結果來(lái)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。

　　調試最后一級功率放大時(shí)，由于MRFl57太過(guò)昂貴，一定要非常謹慎。每次調試時(shí)，盡可能先設置好每個(gè)管子的靜態(tài)工作電壓，不要動(dòng)態(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。

　　本文所設計的寬頻帶大功率放大器在實(shí)驗室環(huán)境下完成了組裝和測試，并長(cháng)時(shí)間與發(fā)射線(xiàn)圈進(jìn)行了聯(lián)試。試驗及實(shí)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(mǎn)足了設計要求，對在該頻段下工作的某探測設備起了很大作用，效果良好。