基于MOS場效應(yīng)管的大功率寬帶射頻脈沖功率放大器設(shè)計

大功率寬頻帶線性射頻放大器模塊廣泛應(yīng)用于電子對抗、雷達(dá)、探測等重要的通訊系統(tǒng)中，其寬頻帶、大功率的產(chǎn)生技術(shù)是無線電子通訊系統(tǒng)中的一項非常關(guān)鍵的技術(shù)。隨著現(xiàn)代無線通訊技術(shù)的發(fā)展，寬頻帶大功率技術(shù)、寬頻帶跳頻、擴頻技術(shù)對固態(tài)線性功率放大器設(shè)計提出了更高的要求，即射頻功率放大器頻率寬帶化、輸出功率更大化、整體設(shè)備模塊化。

通常情況下，在HF~VHF頻段設(shè)計的寬帶射頻功放，采用場效應(yīng)管（FET）設(shè)計要比使用常規(guī)功率晶體管設(shè)計方便簡單，正是基于場效應(yīng)管輸入阻抗比較高，且輸入阻抗相對頻率的變化不會有太大的偏差，易于阻抗匹配，另外偏置電路比較簡單，設(shè)計的放大電路增益高，線性好。

本文的大功率寬頻帶線性射頻放大器是利用MOS場效應(yīng)管（MOSFET）來設(shè)計的，采取AB類推挽式功率放大方式，其工作頻段為O 6M～10MHz，輸出的脈沖功率為1200W。經(jīng)調(diào)試使用，放大器工作穩(wěn)定，性能可靠。調(diào)試、試驗和實用時使用的測試儀器有示渡器、頻譜分析儀、功率汁、大功率同軸衰減器、網(wǎng)絡(luò)分析儀和射頻信號發(fā)生器。

1 脈沖功率放大器設(shè)計

1.1 電路設(shè)計

設(shè)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(shè)計要求，設(shè)計中射頻功率放大器放大鏈采用三級場效應(yīng)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?？紤]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(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(yīng)具備快速開關(guān)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(shè)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(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。所設(shè)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(shè)計采用AB類功率放大，設(shè)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）阻抗變換后進人功率放大器。在信號的上半周期Q1導(dǎo)通，信號的下半周期Q2導(dǎo)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(dǎo)通，下半周期Q4導(dǎo)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(fù)反饋電路的目的是在整個帶寬頻率響應(yīng)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(fù)反饋電路，有利于改善輸入回?fù)p和低頻端信號功率放大的穩(wěn)定性。

另外每一級電路設(shè)計中，都使用了滑動變阻器來設(shè)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。

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。