脈沖功率放大器設計
電路設計
設計的寬頻帶大功率脈沖放大器模塊 要求工作頻段大于4個倍頻程,而且輸出功率大,對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。
針對設計要求,設計中射頻功率放大器放大鏈采用三級場效應管,全部選用MOSFET。每級放大均采用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,因此選用增強型MOS場效應管。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和反饋電路,以達到設計要求。
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、二級使用的MOSFET應具備快速開關切換,以保證脈沖調(diào)制信號的下降沿和上升沿完好,減少雜波和諧波的干擾。
設計中第一、二級功率放大選用MOSFET為IRF510和IRF530。最后一級功放要求輸出脈沖功率達到1200W,為避免使用功率合成技術,選用MOSPRT MRFl57作為最后的功率輸出級。所設計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源產(chǎn)生射頻信號后經(jīng)過幾級的中間級放大才把信號輸入到功率放大級,最后通過天線把射頻信號發(fā)射出去。
圖1中,輸入信號為20~21dBm,50Ω輸入;工作電壓為15V和一48V,其中15V為第一、二級功放提供工作電壓,48V為最后一級功放提供工作電壓;6V穩(wěn)壓輸出可以使用15V或48V進行穩(wěn)壓變換,電路整體設計采用AB類功率放大,設計的駐波比為1.9。
經(jīng)過中間級放大后的信號,首先通過Tl(4:1)阻抗變換后進入功率放大器。在信號的上半周期Q1導通,信號的下半周期Q2導通;然后輪流通過T2(16:1)阻抗變換進入第二級放大,同樣信號的上半周期Q3導通,下半周期Q4導通,完成整個信號全周期的能量放大;進入最后一級放大時使用T3(4:1)阻抗變換,以繼續(xù)增加工作電流驅(qū)動大功率MOSFETMRFl57。為保證50Ω輸出,輸出端的阻抗變換為T4(1:9)。
電路中使用負反饋電路的目的是在整個帶寬頻率響應內(nèi)產(chǎn)生一個相對平穩(wěn)的功率增益,保持增益的線性度,同時引進負反饋電路,有利于改善輸入回損和低頻端信號功率放大的穩(wěn)定性。
另外每一級電路設計中,都使用了滑動變阻器來設置每個管子的偏置電壓,這樣做大大降低了交越失真的發(fā)生,盡可能使放大信號在上、下半周期的波形不失真。
電路板(PCB)和傳輸線變壓器設計
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。
設計中的關鍵技術之一就是傳輸線變壓器的設計和制作。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。可以最大限度地利用管子本身的帶寬潛能。
傳輸線變壓器在設計使用上有兩點必須注意:一是源阻抗、負載阻抗和傳輸線阻抗的匹配關系;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計,使用厚度為O.8mm的銅箔。T4為進口外購的高功率傳輸線變壓器(型號:RF2067-3R)。設計的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。
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(jù)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(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機對最后一級MOSFET進行散熱處理。
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