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基于MOS场效应管的大功率宽频带线性射频放大器设计

2017年12月13日 05:39 次阅读

大功率宽频带线性射频放大器模块广泛应用于电子对抗、雷达、探测等重要的通讯系统中,其宽频带、大功率的产生技术是无线电子通讯系统中的一项非常关键的技术。随着现代无线通讯技术的发展,宽频带大功率技术、宽频带跳频、扩频技术对固态线性功率放大器设计提出了更高的要求,即射频功率放大器频率宽带化、输出功率更大化、整体设备模块化。

通常情况下,在HF~VHF频段设计的宽带射频功放,采用场效应管(FET)设计要比使用常规功率晶体管设计方便简单,正是基于场效应管输入阻抗比较高,且输入阻抗相对频率的变化不会有太大的偏差,易于阻抗匹配,另外偏置电路比较简单,设计的放大电路增益高,线性好。

本文的大功率宽频带线性射频放大器是利用MOS场效应管(MOSFET)来设计的,采取AB类推挽式功率放大方式,其工作频段为O 6M~10MHz,输出的脉冲功率为1200W。经调试使用,放大器工作稳定,性能可靠。调试、试验和实用时使用的测试仪器有示渡器、频谱分析仪、功率汁、大功率同轴衰减器、网络分析仪和射频信号发生器。

1 脉冲功率放大器设计

1.1 电路设计

设计的宽频带大功率脉冲放大器模块 要求工作频段大于4个倍频程,而且输出功率大,对谐波和杂波有较高的抑制能力;另外由于谐波是在工作频带内,因此要求放大器模块具有很高的线性度。

针对设计要求,设计中射频功率放大器放大链采用三级场效应管,全部选用MOSFET。每级放大均采用AB类功率放大模式,且均选用推挽式,以保证功率放大器模块可以宽带工作。考虑到供电电源通常使用正电压比较方便,因此选用增强型MOS场效应管。另外为了展宽频带和输出大功率,采用传输线宽带匹配技术和反馈电路,以达到设计要求。

由于本射频功率放大器输出要求为大功率脉冲式发射,因此要求第一、二级使用的MOSFET应具备快速开关切换,以保证脉冲调制信号的下降沿和上升沿完好,减少杂波和谐波的干扰。设计中第一、二级功率放大选用MOSFET为IRF510和IRF530。最后一级功放要求输出脉冲功率达到1200W,为避免使用功率合成技术,选用MOSPRT MRFl57作为最后的功率输出级。所设计的射频脉冲功率放大器电路原理图如图1所示。

发射通道的建立都是在信号源产生射频信号后经过几级的中间级放大才把信号输入到功率放大级,最后通过天线把射频信号发射出去。

图1中,输入信号为20~21dBm,50Ω输入;工作电压为15V和一48V,其中15V为第一、二级功放提供工作电压,48V为最后一级功放提供工作电压;6V稳压输出可以使用15V或48V进行稳压变换,电路整体设计采用AB类功率放大,设计的驻波比为1.9。经过中间级放大后的信号,首先通过Tl(4:1)阻抗变换后进人功率放大器。在信号的上半周期Q1导通,信号的下半周期Q2导通;然后轮流通过T2(16:1)阻抗变换进入第二级放大,同样信号的上半周期Q3导通,下半周期Q4导通,完成整个信号全周期的能量放大;进入最后一级放大时使用T3(4:1)阻抗变换,以继续增加工作电流驱动大功率MOSFETMRFl57。为保证50Ω输出,输出端的阻抗变换为T4(1:9)。

电路中使用负反馈电路的目的是在整个带宽频率响应内产生一个相对平稳的功率增益,保持增益的线性度,同时引进负反馈电路,有利于改善输入回损和低频端信号功率放大的稳定性。

另外每一级电路设计中,都使用了滑动变阻器来设置每个管子的偏置电压,这样做大大降低了交越失真的发生,尽可能使放大信号在上、下半周期的波形不失真。

1.2 电路板(PCB)和传输线变压器设计

为保证整个频带内信号放大的一致性,降低杂波和谐波的影响,宽频带高功率射频放大器采用了AB类功率放大,以保证电路的对称性。在设计PCB时,尽量保证铜膜走线的形式对称,长度相同。为便于PcB板介电常数的选取,整个PCB板为铅锡光板。在信号输入和输出端使用了Smith圆图软件计算和仿真铜膜走线的形状、尺寸,以确保阻抗特性良好匹配。

设计中的关键技术之一就是传输线变压器的设计和制作。利用传输线阻抗变换器可以完成信号源与功率MOSFET管输入端或输出端之间的阻抗匹配。可以最大限度地利用管子本身的带宽潜能。传输线变压器在设计使用上有两点必须注意:一是源阻抗、负载阻抗和传输线阻抗的匹配关系;二是输入端和输出端必须满足规定的连接及接地方式。由于设计中采用了AB类功率放大方式,因此初级线圈的输入与次级线圈的输出要尽可能保证对称。设计中一共使用了T1、T2、T3、T4 4个传输线变压器。在前两级功率放大时,T1和T2的次级线圈都是一圈,T3的次级线圈是二圈,这是因为磁材料的饱和经常发生在低频端,增加T3的初、次级线圈数,有利于改善低频端性能。T1、T2、T3使用同轴线SFF-1.5-1的芯线作为初级线圈传输线,次级线圈采用铜箔材料设计,使用厚度为O.8mm的铜箔。T4为进口外购的高功率传输线变压器(型号:RF2067-3R)。设计的T1如图2所示。

图2中深色区域代表覆铜区域。铜箔管首先穿过磁环后再穿过两端的铜膜板并焊接在一起,完成次级线圈。T2的设计基本与Tl相似,只是使用同轴线SFF-1.5-l的芯线缠绕的初级线圈圈数不同而已。

73次级线圈的制作有些变化,目的是加强低频信号的通过程度。不使用铜箔管,而使用铜箔弯曲成弧形。如图3所示。

在每个磁环孔中穿过两个铜箔片,分别与两端的铜膜板焊接,这样整个线圈的次级线圈就是两圈,然后根据阻抗比完成初级线圈的缠绕。这样做的目的是在固定的阻抗比的情况下增加初、次级的圈数以改善放大器的低频特性。

1.3 散热设计

凡是射频功率放大,其输出功率很大,管子的功耗也大,发热量非常高,因此必须对管子散热。根据每一级管子的功耗PD以及管子的热特性指标,这些热指标包括器件管芯传到器件外壳的热阻ROJC,器件允许的结温为T1、工作环境温度为TA等,可以计算出需要使用的散热材料的 尺寸大小和种类。本设计中,器件的工作环境温度为55℃,使用的铝质散热片尺寸为290mm&TImes;110mm&TImes;35mm,而且需要使用直流风机对最后一级MOSFET进行散热处理。

2 脉冲功率放大器的组装和调试

设计中使用的放大管全是MOSFET,由于其抗静电性能非常差,稍不留神就会因为焊接设备上的静电把管子烧坏,尤其是最后一级的大功率MOSFET(MRFl57),因此管子安装时要特别小心。设计电路前,可以使用MulTIsim软件或Pspice软件中的器件模型来熟悉IRFSIO和IRF530的使用。

电路开始调试时,可以先不对最后一级的MOSFETMRFl57进行偏置电压设置。先通过测试前两级的放大效果来设定MRF157的静态工作点,测试得到的前两级信号放大结果为100V Vp-p(高阻输入)左右。调试时每个管子的工作点电压不要太高,略高于开启电压VC(TH)即可。在电源端一定要监视工作电流,防止电流过大。通过微调每个管子栅极端的变压器调整静态工作点,以求尽量减少波形失真。此时可以使用示波器监控波形输出。根据对前两级电路调试的实际结果来看,第一级主要对放大后的幅度有影响,而第二级则影响了放大后的波形。

调试最后一级功率放大时,由于MRFl57太过昂贵,一定要非常谨慎。每次调试时,尽可能先设置好每个管子的静态工作电压,不要动态改变静态工作点。终端接入5011大功率同轴衰减器后输入到频谱分析仪中。通过频谱分析仪的频域波形可以得到输出功率,以及谐波分量。

本文所设计的宽频带大功率放大器在实验室环境下完成了组装和测试,并长时间与发射线圈进行了联试。试验及实用表明,该放大器运行正常,工作可靠,能够完成宽频带射频脉冲的大功率放大,满足了设计要求,对在该频段下工作的某探测设备起了很大作用,效果良好。

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集成电路设计属于技术密集型行业,尤其对于射频前端设计,由于需要适配多通信制式、多频段,未来还需要满足...

发表于 2018-03-31 09:34 1392次阅读
全球射频前端市场规模:以射频开关和LNA为例说明

5G手机的射频前端模块市场_5G专利握于哪些公司...

伴随着5G手机2025年出货量将达约15亿支的预测,属于5G应用的射频组件市场在战略上已具有重要意义...

发表于 2018-03-31 07:44 619次阅读
5G手机的射频前端模块市场_5G专利握于哪些公司...

硅基GaN为固态射频能量应用带来更多可能

 等离子灯自发明以来便由磁控管供电,磁控管的平均寿命预计在500至1000小时。在评估等离子灯的价值...

发表于 2018-03-30 09:08 404次阅读
硅基GaN为固态射频能量应用带来更多可能

想学会如何测试射频微波元器件吗?本文教你快速学会

学会了,就有可能为自己赢得一台示波器

发表于 2018-03-29 14:01 678次阅读
想学会如何测试射频微波元器件吗?本文教你快速学会

ADI对5G技术现状与趋势的解读

从全球各国5G的部署情况来看,美国倾向于使用微波频段,中日韩等亚太国家则主打sub-6GHz频段,欧...

发表于 2018-03-29 11:39 902次阅读
ADI对5G技术现状与趋势的解读

G类拓扑自适应移动放大器电源节能设计

音频是便携式消费类电子设备不可或缺的一个重要组成部分。集成耳机音频功率放大器有助于放大低功耗基带音频...

发表于 2018-03-28 09:18 1022次阅读
G类拓扑自适应移动放大器电源节能设计

如何使用功率放大器?参数指标有哪些?

发表于 2018-03-27 14:32 308次阅读
如何使用功率放大器?参数指标有哪些?

一篇关于电流反馈放大器应用设计

我的放大器同事 Xavier Ramus 最近写了一篇关于电流反馈放大器的精彩博客。我想详细说明一下...

发表于 2018-03-27 09:18 1502次阅读
一篇关于电流反馈放大器应用设计

multisim 信号接入D类放大器失真。。

发表于 2018-03-26 21:59 493次阅读
multisim 信号接入D类放大器失真。。

【下载】《射频板PCB工艺设计规范》

发表于 2018-03-26 17:24 2273次阅读
【下载】《射频板PCB工艺设计规范》

定性判断场效应管、三极管的好坏

发表于 2018-03-26 08:25 733次阅读
定性判断场效应管、三极管的好坏

基于UVM的基带射频接口电路的验证

基带射频接口模块包含射频接口的接收通路模块和发送通路模块。基带射频接口模块架构图如图2所示。此射频接...

发表于 2018-03-22 09:06 673次阅读
基于UVM的基带射频接口电路的验证

一个基于运算跨导放大器DC伺服环路应用设计

同时要求高 DC 精度与高带宽,实施起来可能会很困难。我们可根据电路配置,提供几种有效方法,包括构建...

发表于 2018-03-22 09:00 1290次阅读
一个基于运算跨导放大器DC伺服环路应用设计

一个双通道运放或四通道运放封装应用匹配

有些电路受益于两个或两个以上运放特性的紧密匹配,所以,在一个双通道运放或四通道运放的封装下,他们特性...

发表于 2018-03-22 08:42 1255次阅读
一个双通道运放或四通道运放封装应用匹配

CMOS运算放大器摆动,为何可小于1到2毫伏

轨至轨放大器可产生极为接近接地的输出电压但到底接近到什么程度呢?我们谈的是CMOS运算放大器。当你正...

发表于 2018-03-22 08:36 1202次阅读
CMOS运算放大器摆动,为何可小于1到2毫伏

一幅SPICE仿真原理图,与现实差距究竟在哪?

有人给我提了一个问题,并附上了一幅 SPICE 仿真原理图(对此表示感谢!)。它是一个运算放大器电路...

发表于 2018-03-22 08:29 1984次阅读
一幅SPICE仿真原理图,与现实差距究竟在哪?

场效应管逆变器电路图大全(六款场效应管逆变器电路...

场效应管(FET)是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件,并且目前在工业领域...

发表于 2018-03-21 17:34 3273次阅读
场效应管逆变器电路图大全(六款场效应管逆变器电路...

场效应管作用是什么_场效应管到底好在哪

本文开始介绍了什么是场效应管和场效应管的特点,其次阐述了场效应管的参数及场效应管的作用,最后分析了场...

发表于 2018-03-21 17:10 661次阅读
场效应管作用是什么_场效应管到底好在哪

ModWright HA300 电子管合并放大器

好的耳机要用好的耳放搭配,很多厂商也有推出价格不菲的耳放,声音各有特点,不过随着耳机逐渐更新,这些耳...

发表于 2018-03-20 15:29 1128次阅读
ModWright HA300 电子管合并放大器

电压放大器工作原理_电压放大器的特点

本文主要介绍了电压放大器工作原理是什么?电压放大器是提高信号电压的装置。对弱信号,常用多级放大,级联...

发表于 2018-03-20 14:40 1163次阅读
电压放大器工作原理_电压放大器的特点

射频测量技术在现代雷达和电子战信号中的重要性

现代雷达 和电子战系统依靠复杂的信号处理和复杂的射频调制脉冲。若没有合适的信号设计验证,这些技术可能...

发表于 2018-03-20 09:30 220次阅读
射频测量技术在现代雷达和电子战信号中的重要性

RF产业中的公司名人堂以及他们将如何受到5G发展...

随着技术供应商与能够处理越来越多数量的频段的复杂RF前端(RFFE,RF front ends)模块...

发表于 2018-03-19 15:17 626次阅读
RF产业中的公司名人堂以及他们将如何受到5G发展...

矢量网络分析仪E5063A是如何测试一个射频微波...

在校准前请观察E-Cal的LED指示灯是否已经变为绿色,绿色代表ECal已经准备完毕可以开始校准(如...

发表于 2018-03-19 15:13 812次阅读
矢量网络分析仪E5063A是如何测试一个射频微波...

运算放大器何时必须处于工作状态?

实现这个功能最简单的方法是通过转换开始命令。在标准 ADC中,首先将输入(采样保持)电容充电到要测量...

发表于 2018-03-19 14:41 744次阅读
运算放大器何时必须处于工作状态?

设计放大器时,振荡常见原因以及补救方法

模拟电路设计师在设计放大器时,为了使其稳定,煞费苦心。然而在真实世界中,总是有很多情况引起放大器振荡...

发表于 2018-03-19 09:24 1540次阅读
设计放大器时,振荡常见原因以及补救方法

RFID射频识别技术详解之RFID系统构架与基本...

RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等...

发表于 2018-03-18 11:49 2584次阅读
RFID射频识别技术详解之RFID系统构架与基本...

射频/微波PCB设计详情

如今的电子产品已经不再像上世纪 70 年代的电视和电冰箱一样,消费者每隔十年才更新换代一次。现在几乎...

发表于 2018-03-17 11:47 794次阅读
射频/微波PCB设计详情

唱机前置放大器简介

上面我们已提及到唱机的唱头基本上有MC动圈、MM动磁和MI动铁三种,目前大都是动圈和动磁,动铁相对较...

发表于 2018-03-16 16:22 1073次阅读
唱机前置放大器简介

汉天下发布维权公告:市场上的5124射频功放芯片...

近日北京中科汉天下电子技术有限公司(以下简称汉天下)发布公告称,公司发现市场上出现并销售一款型号为5...

发表于 2018-03-16 11:57 898次阅读
汉天下发布维权公告:市场上的5124射频功放芯片...

最全射频高速器件测试详细解读(图文)

在通信及电子技术日益发展的今天, 所有的系统依旧由各种元器件组成。多种多样的元器件仍然在各个行业扮演...

发表于 2018-03-16 09:56 2451次阅读
最全射频高速器件测试详细解读(图文)

RF和混合信号PCB布局最佳指南(专家应用笔记)

摘要: 摘要:本应用笔记提供关于射频(RF)印刷电路板(PCB)设计和布局的指导及建议,包括关于混合...

发表于 2018-03-15 18:15 2558次阅读
RF和混合信号PCB布局最佳指南(专家应用笔记)

2018慕尼黑上海电子展展品精选

ARISO LP采用磁感应近场耦合技术,可以不通过任何物理直接连接ARISO LP还内置了2.4G...

发表于 2018-03-15 09:21 1054次阅读
2018慕尼黑上海电子展展品精选

滤波器的原理种类以及计算方式

滤波器的滤波电路、原理种类以及计算方式

发表于 2018-03-12 17:16 1320次阅读
滤波器的原理种类以及计算方式

Cree 动出击收购英飞凌射频功率业务

Cree与英飞凌都是行业内领先的科技公司,各有所长。此次通过收购吸收英飞凌射频功率的团队和技术将扩充...

发表于 2018-03-11 11:44 175次阅读
Cree 动出击收购英飞凌射频功率业务

u-blox F9平台研发的基带和射频一体化芯片...

全球无线及定位模块和芯片的领先供应商u-blox公司近日宣布推出F9技术平台,为面向大众市场的工业和...

发表于 2018-03-11 01:29 1592次阅读
u-blox F9平台研发的基带和射频一体化芯片...

场效应管稳压电路图大全(稳压电源/MOS管稳压电...

本文主要介绍了场效应管稳压电路图大全(稳压电源/MOS管稳压电路原理图详解)。采用功率场效应管组成的...

发表于 2018-03-09 10:22 4265次阅读
场效应管稳压电路图大全(稳压电源/MOS管稳压电...