（机械电子工程专业论文）射频技术及其应用研究.pdf

a b s t r a c t v a c u u mt u b es w i t c hi sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d sf o ri t sa d v a n t a g e so fs m a u s i z e ，l a r g ec a p a c i t ya n dl o n gs e i c el i f ee t c f o rt h ev o l t a g eo ft h ec o n t r o lc i r c u i ti s v e r yh i 2 hi nt r a d i t i o n a lv a c u u mt u b es w i t c h ，t h es u r r o u n d i n ga i rc a nb ee a s i l yi o n i z e d u n d e rm o i s tc o n d i t i o n w h i c hm a vm a k et h es w i t c hb ek n o c kd o 、 ，na n dt h u sl e a dt o c a s u a l t i e sa i l dg r e a tp o w e ra c c i d e n t t h e r e f o r e ，t h ev a c u 啪m e a s u r e m e n ti so fg r e a t s i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ri n t r o d u c e sah i g hp o w e rr fr e s o u r c ec i r c u i tf o rt h ev a c u u m m e a s u r e m e n to ft h ev a c u u mt u b e t h i sc i r c u i tc o n s i s t so fas i g n a lg e n e r a t i n gc i r c u i t w i t h4 0 m h zc r y s t a io s c i l l a t i o na n da i la bp o w e ra m p l i f i e rw i t hm r fs e r i e sm o s w eu s et h ep s p i c ef o rm ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no ft h i sc i r c u i ta n dw i t ht h ep s p i c e l a n g u a g ew ed e s i g nt h em i 强l 4 8e l e m e n ti nt h ee l e m e n tl i b r a r y b yt h ea n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nw ec a ng e tad e e pc o m p r e h e n s i o na b o u tt h ep r o p e r t i e so ft h ea bp o w e r 锄p l i f i e rc i r c u i t t h em e t h o du s e di nt h i sp 印e rp r o v i d e sag o o d 印p r o a c hf o rt h e d e s i g n i n go fr fc i r c u i t ；a l s ot h i sc i r c u i th a sah i g hv a l u eo fp r a c t i c a lu t i l i t y i nt h el a t e rp a r to ft h i sp a p e r ，w es i m u l a t et h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l do ft h e c i r c u i tb o a r db yu s i n gt h e 丘n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o r w a r ec o m s ol t h et o o l b o x h e a td i s t r i b u t i o n i su s e dt oa i l a l y z i n gt h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l db a s e0 n e l e c t r i c t h e n n a lc o u p l i n ge q u a t i o na n dh e a tp a r t i a ld i h 、e r e n t i a le q u a t i o n t r a n s i e n t t e m d e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o n so ft h ec i r c u i tb o a r du n d e rc o n d i t i o no fn a t u r a l c o n v e c t i o na n df o r c e dc o n v e c t i o na r eg o ta 1 1 dc o m p a r e d r e s u l t ss h o wt h a t ，嘶d e rt h e n a t u r a lc o n v e c t i o n ， t h ed i s s i p a t i o no fh e a ti st o os l o ww h i c hm a d et h e1 0 c a l t e m p e r a t u r eo ft h eb o a r dt o oh i g h t h i sw i l lb r i n gs e r i o u st h r e a t e n t ot h en o r m a l o p e r a t i o no ft h ec i r c u i ta n da 丘e c tt h es t a b i l i t yo f t h eo u t p u ts i g n a l - i no r d e rt oi m p r o v e t h et e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no ft h eb o a r d ，t h ef o r c e dc o n v e c t i o nm u s tb ea d o p t e d t oi m p r o v et h eh e a td i s s i p a t i o nc o e m c i e n t s i m u l a t i o nr e s u l tu n d e rf o r c e dc o n v e c t i o n s h o wt h a tt h et e m p e r a t u r e 丘e l dd i s t r i b u t i o nh a sb e e no p t i m i z e do b v i o u s l y t h ep a n i a l d i 虢r e n t i a le q u a t i o n ss i m u l a t i o ni sa c c o r d a n tw i t ht h ef a c t ，w h i c hc a np r o v ei t s c o r r e c t n e s sf u n h e rm o r e k e yw o r d s ： r a d i of r e q u e n c yc i r c u i t ，v a c u u md e g r e e ，t l e m p e r a t u r e6 e l d ，f i n i t e e l e m e n t 于3 0 m h z 要考虑相位偏移，寄生参数、噪声和辐射等因素的影响。如果信号大于 4 g h z ，则需要用微波的方法设计电路。 从电路设计角度来看，射频电路既不同于低频电路设计，又不同于微波电 路的设计。如果信号频率低于3 0 h z ，通常可以采用高频电路的设计方法。如果 频率高于4 0 g h z ，通常采用微波电路设计方法。射频电路的设计方法通常是介于 低频电路和微波电路设计之间的一种方法。射频电路的频率不是很低，在电路设 计时无法直接使用基尔霍夫定律，但是射频电路的频率又不是很高，不必完全使 用电磁场的分析方法。 随着射频电路的广泛应用和不断发展，射频范围还将不断向更高的频率延 伸。例如，目前一些厂家已经将9 g h z 的频率作为射频的最高端频率，低于9 g h z 的频率划分为射频。 1 2 射频技术的应用 射频通信电路主要应用领域包括卫星通信、个人移动通信( g s m 、c d m a 和 3 g ) 、无线局域网( w l a n ) 、航空通信、车载和船载通信、高速数字通信、光纤通 信、电视广播和电台广播等。 由于射频高端频段的直线传输和天线体积小的特性，特别适合无线通信系 统的应用，它还能够穿透电离层，实现无线卫星通信。因此在无线通信中获得广 泛的应用。 在光纤通信系统中，光纤的发射端和接受端，都需要进行光信号和电信号 的相互转换，也需要相应电信号的处理，如调制和解调电路。这些都需要应用射 频电路设计的知识。 射频电路具有如此多的应用，主要得益于它的优点： 1 、频率高、利用更宽的频带和更大的信息容量。 2 、电路中电容和电感的尺寸缩小，通信设备的体积进一步减小。 3 、可以提供更多的可用频谱，解决频率资源的日益紧张问题。 4 、通信信道之间的频率间隙增大，减小了信道的相互干扰。 5 、可以利用小尺寸天线获得高增益，以便移动通信的实现。 1 3 利用射频技术测试真空度 射频技术的另一个重要应用是对等离子体的诊断，射频技术诊断等离子体 的方法包括干涉法、反射法、辐射法、散射法、吸收法和透射法等。其中干涉法、 表1 2 射频电路的设计规格 电源电压v c c = 1 2 v 输入阻抗z i - 5 0 q 输出阻抗z o = 5 0 q 功率放大率( m 们) g p = 1 0 d b 最大功率输出p o = 5 w 工作点类型a b 类线性 环境温度上限 7 0 频率范围1m h z 一5 0 m h z 有很强的实用性。 设计电路的框图如图1 所示： 图1 1 真空管开关测试电路的原理框图 f i g 。1 1t h ep r i n c i p l eo fv a c u u mt e s t i n gc i r c u i t 首先，根据需要设计了一种大功率的射频源电路。电路主要由4 0m h z 石英 晶体射频振荡器和一种利用m r f 系列场效应管制成的a b 类宽带线性功率放大器 组成。 其次，着重介绍电路各单元的设计，对信号发生装置，功率放大器的研制 进行设计，使用p s p i c e 在元件库中创建了m r f l 4 8 元件，对高频电路进行了分析 和模拟。测试电路的频率特性，对电路进行预演示，通过分析和模拟掌握a b 类 功率放大器的特点。最后用p r o t e l 绘制电路板原理图，并针对高频电路的特性 绘制p c b 板，对电路板的布线和e m i 问题进行分析。实践过程也为射频电路的设 计提供了一个很好的途径，同时，电路具有很强的实用性。 最后，由于电路的功率较大，功率管的热损耗较多，因此电路板的热量也 相当大。在此，笔者建立电路板热传输的偏微分方程，使用多重物理量耦合场软 件对电路板的瞬态温度场进行分析，并比较了电路板在空气自然对流和空气强制 对流两种模式下电路板的温度场分布情况。 1 5 论文结构和篇章安排 本论文分为以下几个部分： 第一章：简要介绍射频技术的渊源和本文研究的问题。介绍射频技术的定 义和应用，以及射频电路设计的特点和注意事项：介绍本文研究的内容。 第二章：介绍一种用于真空管测试的射频源电路。介绍用于真空管测试的 电路的各部分，并对电路板进行分析和研究。 第三章：对大功率射频电路板进行模拟，使用p s p i c e 软件对电路板的性能 进行模拟，分析电路板的可行性，模拟电路板的频率响应特性，对电路板进行优 化研究。并指出p c b 板的绘制问题以及e m i 问题的防护。 第四章：对大功率电路板的温度场分布进行模拟分析，建立温度传输的偏 微分方程分析电路板大功率器件产生的温度场，对比了电路板在空气自然对流和 空气强制对流情况下电路板的温度分布情况。通过c o m s o l 软件的模拟验证偏微 分方程的结论。 第五章：对本文做了总结与展望。 第二章一种用于真空管测试的射频电路 2 1 电路简介 真空管开关是电力拖动和自动控制系统中应用日趋广泛的电气元件。它以 体积小、容量大、使用寿命长等优点而广泛应用于各行各业。由于传统的真空管 开关的控制电路的电压太高，在恶劣的天气环境下，周围空气极易被电离进而击 穿，造成重大的人员伤亡和电力事故，为了确保安全，以为大家提供一个安全的 生产环境，必须定期对真空管开关的真空度进行测试。一般根据真空计的工作原 理并利用管子本身的结构特点来测试和判断真空管的压强，主要方法有：工频耐 压法、高频放电法、吸气剂膜法、耦合电容法等。本文就是为了使用高频放电法 对真空管进行测试而设计的一种射频电路。 本文电路的设计框图如图1 1 所示。简单地讲，射频电路通常包括振荡发 生装置和功率放大装置。为了进一步提高信号的稳定度，信号要经过滤波器的滤 波，以去除干扰信号以降低信号源的噪声，提高电路的性能参数，同时增加滤波 电路可以产生谐振，增加信号的强度。 本设计采用的是标准的5 0 q 输入输出界面，而工作中的真空管开关正常情 况下呈现电容的特性，且电容值相对较小，射频电路的设计要考虑传输线的阻抗， 因为电路中的阻抗是影响电路性能的主要因素，所以利用射频电路对真空管进行 控制需要对阻抗进行匹配，匹配电路就是用来解决电路的匹配问题。 2 2 振荡电路的设计 2 2 1 石英晶振的概述 典型的射频振荡电路 有r c 振荡电路、l c 型振荡 电路和石英晶体振荡电路。 从频率稳定度角度来看，由 于r c 和l c 振荡电路的振荡 频率的稳定度由r c 或者l c 本身特性决定，r c 或者l c 翁翁磐姆、婶 图2 1 石英晶体振荡器 f i g 2 1t h eq u a n zc 拶s t a lo s c i l l a t o r 2 2 2 石英晶振的概述 本设计采用的晶体振荡电路如图2 3 所示，它是工作于晶振三次谐波的振 荡器。它的交流等效电路如图2 4 所示。 它的谐振频率为： ，：! ：一 。 2 _ 7 ( 巳+ c ) c 肘是石英晶体振荡器的并联电容，l 为振荡电路的电感，主要是石英晶体 中的电感量。c = c i + c2 是振荡电路中的电容量，选定c l = 1 0 0 p f 、c 2 = 1 8 p f ；r 。 = 3 0 0 k ，r 2 = 1 0 k ，r 3 - 3 3 0 q ，r 4 = 4 7 0 q 。 写 2 3 振荡电路 f i g 2 3o s c i l l a t i o nc i r c u i t t 为n p n 三极管，根据电路要求： 似 厶作 厶，三极管的特征频率要大于 1 0 凡i p n 2 4 交流等效电路图 f i g 2 4t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f a c 9 2 2 2 石英晶振的概述 本设计采用的晶体振荡电路如图2 3 所示，它是工作于晶振三次谐波的振 荡器。它的交流等效电路如图2 4 所示。 它的谐振频率为： ，：! ：一 。 2 _ 7 ( 巳+ c ) c 肘是石英晶体振荡器的并联电容，l 为振荡电路的电感，主要是石英晶体 中的电感量。c = c i + c2 是振荡电路中的电容量，选定c l = 1 0 0 p f 、c 2 = 1 8 p f ；r 。 = 3 0 0 k ，r 2 = 1 0 k ，r 3 - 3 3 0 q ，r 4 = 4 7 0 q 。 写 2 3 振荡电路 f i g 2 3o s c i l l a t i o nc i r c u i t t 为n p n 三极管，根据电路要求： 似 厶作 厶，三极管的特征频率要大于 1 0 凡i p n 2 4 交流等效电路图 f i g 2 4t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f a c 9 4 0 m h z ，为了降低成本，本设计选择目前市场上最为常见的s 9 0 1 3 或s 9 0 1 4 系列 的低功率高频三极管，它的特征频率为1 0 0 m h z 。具有优越的h f e 线性。 试验显示该石英晶体振荡器具有很高的稳定度和良好的协调范围。它的频 率稳定度可以达到1 0 “至1 0 - 1 1 ，q 值在1 05 以上。 综上所述，石英晶体由于具有极稳定的物理特性、极高的q 值，且接入系 数极小，因此石英晶体振荡器具有很高的频率稳定性。并联型晶体振荡电路中， 石英晶体作电感用，类似于电容三点式，振荡频率位于疋和 之间，负载电容 可微调振荡频率。在串联型晶体振荡电路中，石英晶体处于串联谐振，阻抗最小， 相当于短路。 2 3 功放电路的设计 在实用电路中，往往要求放大电路的末级( 即输出级) 输出一定的功率，以 驱动负载。能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称功 放。 2 3 1 放大器的设计步骤 放大器设计的主要步骤如下： 1 、选择合适的器件。选择适用于工作频率且具有可接受的增益和噪声系数 的b j t 、j f e t 或m e s f e t 。工作频率在高频情况下，大多选用场效应晶体管， 本文选用摩托罗拉公司生产的增强型场效应管( n m o s 管) m r f l 4 8 和m r f l 4 9 。 而且，通常要求晶体管的截至频率大于或等于2 3 倍的工作频率。低噪声放大器 则要求截至频率更高一些。 2 、选择合适的工作状态。微波晶体管的工作状态是根据噪声，增益和饱和 输出电平的要求来确定的。为了放大器具有更低的噪声，第一级的工作点应根据 最小噪声系数来选取最佳的工作电流。为保证有足够的增益，第二级应从最佳增 益条件来考虑，同时应兼顾噪声。 3 、测量晶体管的s 参数。选好晶体管后确定电路结构和工作状态，并在 所需要的频带内测量晶体管的s 参数。 4 、判断稳定性。根据测得的s 参数，利用稳定系数k 的公式求出k 值。 如果满足绝对稳定，则可以在任意源阻抗和负载阻抗的情况下进行设计。否则要 画出稳定圆，在稳定圆的稳定区内进行设计。 5 、设计输入输出匹配网络。在判断稳定性的基础上，对于低噪声放大器， 应根据其对噪声系数和增益的要求，确定其输入输出匹配网络。设计匹配网络的 方法很多，有图解法，计算机辅助设计法等。所谓图解法就是借助史密斯圆图， 利用计算机进行复杂的数值计算，以提供做图数据，然后在圆图上确定网络参数， 这是一种基本方法。计算机辅助设计法是近几年发展起来的种新的方法。在本 次设计中将主要使用计算机辅助设计法。 6 、设置静态工作点的电路称为放大器的偏置电路( b a i s i n gc i r c u i t ) 。对偏 置电路的要求：一是提供放大管所需的静态工作点q ；二是所提供的静态工作点 在环境温度、电源电压等外界环境因素变化或更换管子时力求维持不变，其中尤 以环境温度变化对q 的影响最大。实际上，后一个要求更为重要。 总之，设置合适且稳定的静态工作点是保证放大器不出现平顶失真的前提， 或者说，静态工作点决定了管子的动态范围( d y n a m i cr a n g e ) ，即最大不出现平 顶失真的输出信号电压幅值。例如，静态工作点的不稳定将影响管子的动态范围。 此外，小信号等效电路参数与静态工作点有关，因而静态工作点及其稳定性又直 接影响放大器的放大性能及其稳定性。 2 3 2 功放的分类 根据晶体管的静态工作点，通常可以把射频功率放大电路分为4 类：a 类( 甲 类) 、b 类( 乙类) 、a b 类( 甲乙类) 、c 类( 丙类) 。在a 类放大电路中，放大电 路对输入信号整个周期都可以起到放大作用；在b 类放大电路中，晶体管只对输 入信号每个周期中的一半起到放大作用，在另外半个周期内放大管处于截止状 态；在a b 类放大电路中，当输入信号较小时，放大电路工作在a 类状态，当输 入信号幅度较大时，放大电路工作在b 类状态；在c 类放大电路中，放大电路只 对输入信号每个周期中不足一半的周期起到放大作用，其他时间内晶体管处于截 止状态。 理想的4 类放大器的最大效率的理论值与导通角的函数关系如图2 5 所示。 i 钧 * 峨 o 鲫 5 0 o 5 0 l i 2 肿2 鞫) 3 幻 导遭角 图2 5 理想放大器的导通角和效率的函数关系图 f i g 2 5t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef u n c t i o no fi d e a la m p l i n e ro n k o ka n de m c i e n c y a 类功率放大器的线性度好，功率传递能力差，效率最大值为5 0 ，导通 角为3 6 0 。：b 类功率放大器通过减少一个周期中晶体管工作的时间来提高效率 ( 最好可达7 8 5 ) ，保持了实现线性调制的可能性，工作周期为半周期；c 类功 l c筋 0 卜、 v b e 中 一群潲率低j f i 。，景三石孽体亨功率放大器的4 类工作点电路 。一。 r 9 2 石t h ew o r kp o i 吣。f 硒u j 矗f 品磊戈嚣蒜：篡n 。随。， 磊星嚣黧黧妾竺竺量曼竺间内导通舡恸式，对于三m 管概 就是墨他的漏极有电流通过的时间多于半个；磊- 川虬 门平m 吣售采说， 作占黼，裟鼍i 兰登工作蜘贼晶体管功率放大器的4 类工 作点电路图如2 6 所示。从图中可以看出： 一”即列午瞅八丽口。q 廷工 率较姜零票喜詈呈凳二銎量也壁查，只可以取得较小的功率输出，也即是功率效 率较毳至薹! 三功率放大，大多使用于j 、嵩轰蒜? 旧州吲堤功军效 在含罢豢要翥嘉髫呈冀量鎏要粪竺挈，会产生聂磊美茎：可是，由于效率较高， 在含毫鬈篓曩冀篓曼鉴竺兰跫信号放大场合，莓羞言；孟萎磊最吴三蓍铰局， 成推蒹黧鬻辙大器的应肫为l 菘戮萎嚣常被做 率之观樨龀觌 力收就劬数僦 传阳汁稚柳料噼幞暇 外她， 嚣一 ， ，_ r 羁瀚妒嗷姗诣放彭絮漱 娄范 提线息 器 寺 放于大率趋最 c 类的集电极电流流通时间比半周期还短，因此，失真更大，效率最好。在 f m 信号放大的场合，由于不要求线性，可以使用此类放大。 a b 类为介于a 类与b 类中间，集电极电流的流通比半周期长一些，故意将 工作点提高一点，主要是为了减少失真。 根据上面的分析，为了使放大器具有很好的线性特性，本文选择略有失真 但是成本很低的a b 类功率放大器。 阻抗匹配是提高功率放大器效率的重要方法。如图2 7 所示，根据信号的 5 0 q 一数q 一数十q 数q 一数十q 一5 0 q 负载 天线等) 0 q 图2 7 高频功率放大器的方块图 f i g 2 7b l o c kd i a g r a mo fh i g h f i e q u e n c yp o w e ra m p i i n e r 流程，也即是依据信号源一宽带功率放大负载的顺序，作为阻抗变换之用，以 取得阻抗匹配。 在输出回路也即负载与放大元件之间设有输出电路，保证高的功率转换效 率。输入输出阻抗为5 0q ，此数值为使用于高频放大电路时的标准值，此也为 同轴电缆的特性代表值。由于晶体管的输入阻抗一般是数q 到数十q ，因此， 在信号源与放大元件之间加入输入电路，作为阻抗变换之用，以取得阻抗匹配。 在输出回路也即是负载与放大元件之间设有输出电路，保证高的功率转换效率。 一般来说，a 类放大电路的工作效率很低，非常适合于射频小信号的放大； c 类放大电路的工作效率较高，非常适合于射频大功率信号的放大。在射频放大 电路的分析中，需要根据电路的具体工作状态，确定该电路是属于哪一类的放大 图2 8a b 类放大器的输出波形 f i g 2 8t h eo u t p u tw a v e f o n no fc i a s sa ba m p l i n e r 电路。 a b 类放大器在晶体管的输入端口加了0 5 v 的电压，消除了交越失真，它的 输出信号如图2 8 所示，a b 类放大器消除交越失真的情形如图2 9 所示。 qn ， | o p 制 ， | | 。 v b l 特眭曲线 曲线 图2 9a b 类放大器消除交越失真的情形 f i 9 2 9t h es i t u a t i o no fe l i m i n a t er e f e r e n c ed i s t o r t i o no f c l a s sa ba m p l i f i e r 一 顺便提一下，除了上述介绍过的四种基本类型的放大电路外，在c 类放大 电路的基础上出现了比较常用的d 类放大电路，与d 类放大器的比较，尽管d 类放大器有着卓越的效率特性，但在射频电路中，d 类放大器输出级电流快速 切换而引起的e m i ，这需要使至输出级的电路板走线或电线尽可能的短，在设 计人员无法自由控制电线长度的场合，不得不加入输出过滤器进行e m i 滤波， 但这样却增加了成本；在低电压应用中，d 类放大器的功率优势并不明显；d 类放大器抑制的特性无法与a b 类放大器相比。而且，d 类放大器的价格太高， 并不实用。 在射频通信系统中，在典型的接收电路中通常需要使用小信号放大电路和 低噪声放大电路。在发射系统中，通常需要用到射频功率放大电路。射频移动通 信中的便携机的输出功率一般在l 0 0 0 m w 以下，而基站的射频输出功率一般为 l o 1 0 0 w 。在接收机射频放大电路的设计中，需要用到晶体管射频小信号线性模 型；而在功率放大电路的设计中，需要用到晶体管的射频大信号的非线性模型分 析。 2 3 34 0 m h z a b 类功率放大电路的设计 根据电路的特点，本文采用互补a b 类功率放大电路、又称甲乙类互补对称 功率放大电路。它的工作状态通常是两只晶体管配合进行，在没有信号的时候， 两只晶体管都是导通的，但其中的电流很小，当有信号输入时，晶体管中的电流 才会变大。由于信号的作用使其中的一只晶体管截止的时候，另一只晶体管则一 定是导通的，两只管子始终是轮流截止和导通，并且其中流过的电流几乎是全部 送入负载上，因此，甲乙类功放产生的热量较小，并且效率高了很多，在7 0 以上。 a b 类放大器的偏置介于a 类放大器与b 类放大器之间。a b 类的效率远远大 于a 类放大器而略低于b 类放大器。a b 类放大器的偏置可以使工作于推挽工作 方式的两个晶体管的工作区间互有覆盖。这样，就可以对交越失真进控制，偏置 于a b 类的推挽放大器就可以，实际也常用于电子战中的高功率放大器中。从上 可以看出，a b 类是对a 类和b 类的一个改进型。 c 图2 1 0 利用场效应管设计的功率放大器 f i g 2 1ot h ec l a s sa bp o w e r 啪p l i n e rw i t hn m o s 本文使用的a b 类功率放大器电路图如图2 1 0 所示。该放大器采用标准的 5 0 q 输入输出界面，是一个宽频带的线性功率放大器，采用宽频带可以放宽输 入信号的频率要求，以便一定范围内使用不同频率的信号对真空管进行控制，本 文提供的射频功率放大器的频率范围为3 0 m h z 到1 0 0 m h z ，实际输出最高功率 达到1 0 w ，二次谐波抑制3 5 d b ，功率增益1 8 d b 。 该种放大器能够改善交越失真，它的静态工作点高于死区电压0 5 v ，在场 效应管q 1 、q 2 基极之间加上偏置电艟，其值大约为阀值电压之和，使静态时两 管处于截止欲导通的甲乙类状态。 t l 、t 2 为l ：l 的传输线变压器，又称为倒相变压器。根据传输线的理论， 它的最佳匹配条件是：z c = r s = i u 。 当传输线为无损耗传输线，负载阻抗r 。等于传输线特性阻抗z c ，则传输线 终端电压u ：与始端电压u 。的关系为： u 2 = u l e 删 式中w = 2 入为传输线的相移常数，单位为r 删m ，由公式可以看出， 当传输线长度t 很短时，u 。和u ：的幅度相等，相位近似相同。 v o d = 5 0 兰 ， 乞 ，一 纱 4 0v 夕 ， 一 一 厂 u u i u ul i n 】fs115， p i n ：i n p u tp o w e r z a i 盯s ) 图2 1 l 功率输出与功率输入 f i g 2 1lo u l p u tp o w e rv e r s u si n p u lp o w e r q 1 、q 2 可以采用m r f 系列管，本文用的是m r f l 4 8 和m r f l 4 9 ，该系列 管是摩托罗拉公司生产的大功率n 沟道增强型线性场效应管，在4 0 m h z 的情况 的功率输入与功率输出如图2 1 1 所示。它的工作频率范围是2 m h z 到1 7 0 m h z ， 典型增益1 8 d b ，漏极耗散功率为1 1 5 w ，相关参数符合设计的需求。n 沟道增 强型m o s f e t 在工作时，其栅极电压v g s 和漏极电压v d s 均为正向电压。当栅 源电压v g s = 0 时( 或 o 时，并且v g s v t ( v t 为m o s f e t 的开启电压) ，加上漏极电压v d s 后就会产生漏极电流i d ，且v g s 越大，i d 也就越大，实现了v g s 对i d 的控制作用。 图2 1 2 大功率射频电路板 f i g 2 12t h er fc i r c u i tb o a r do fh i g hp o w e r 1 6 一上j文琴一溅山o艮上no1l击 图2 1 3 示波器显示的输出信号 f i g 2 13t h eo u t p u ts i g n a lo no s c i l l o s c o p e 图2 。1 2 为制作成形后，大功率射频电路板的顶层图像。图2 1 3 为示波器显 示的输出信号。由图中我们可以看到，输出的信号为稳定的正弦波，通过测试， 电路的最大功率达到了1 0 w ，输入输出阻抗都是5 0 q ，基本达到了真空管真空 度测试的要求。 2 4p c b 板的设计 2 4 1e m i e m c 的防护问题 射频电路的电路板不同于低频电路板的设计，要考虑其信号的辐射问题， 我们要尽量有效的防止信号向外辐射以及e m i e m c ( 电磁干扰电磁兼容) 问题。 随着当今数字化时代的发展，大部分电子设备工作频率基本上都在1 0 0 m h z 以上，串行输出接口的速率也越来越趋近g b p s 级别，而且它们常常必须与其它 电子设备同时在一个很狭窄的空间下工作，这使得电磁兼容问题变得非常突出， 目前几乎所有重要的电子设备都必须通过电磁干扰和电磁兼容( e m i e m c ) 测试。 如果无法通过这种测试，那么这一产品是不可能准许进入市场的。 为了不致影响产品的上市周期，e m i e m c 指标和产品性能指标一样都已成 为衡量一个设计成功与否的标志。e m 工e m c 问题是一个系统性的问题，与器件 选择、电路设计、p c b 布局和布线、以及i o 接口的选择都有很大的关系，因 此必须从原理图设计开始就要考虑e m 工e m c 问题的解决办法。 器件的选择主要应考虑优先选用工作电流、泄漏电流、纹波电流、纹波电 压、功耗和工作电压低的器件，电路设计主要应考虑电源电路、高压和高频电 路、以及输入输出电路的匹配、同步、驱动和均衡，这部分比较复杂，主要取 决于设计师的经验和水平，这里不作多说。 p c b 是系统中主要的辐射源，控制系统中所有的p c b 的e m i 辐射、提高系 统抗干扰的能力是确保产品通过e m c 测试的最好方法。首先要认识到的是，p c b 的布局是很重要的，必须注意把高压和高频部分与低压和低频电路部分在p c b 上分割开来，必要时可能还要在p c b 上开一些沟槽以加强屏蔽效果。其次，p c b 的布线是产生e m i 问题的主要来源，尤其是当今随着p c b 空间的越来越小和层 数的越来越多，越来越多的高频信号线和电源线如何很好地避免相互干扰变成 了一个非常棘手的问题。 现有的一些e m c 仿真分析工具可以帮助p c b 设计工程师解决一些e m i 的问 题，不过，目前并没有一种能完全并准确地仿真e m i 效果的工具，这主要是因 为p c b 各种过孔的阻抗受工艺和材料的影响非常大，现有的仿真分析工具没有 办法对它进行精确的传输线效应分析。尽管目前市场上出现了一些易于使用的 基于e m c 设计规则检查的e m i e m c 仿真分析工具，如c a d e n c e 的e m c o n t r o l 和 z u k e n 的e m ca d v i s e r ，但它们只能帮助p c b 设计师发现和解决p c b 实际布线时 产生的e m i 问题，而不可能从根本上解决p c b 布线的e m c 问题。 考虑到信号噪声源是信号完整性( s i ) 问题、电源地噪声源是电源完整性 ( p i ) 问题，因此最终的e m c 问题的解决必须依靠正确的s i 、p i 和e m i 的共同设 计，而不仅仅只是考虑e m c 的问题。目前业界主要的s i 和p i 仿真分析工具有 c a d e n c e 的p c bs i2 3 0 6 3 0 、m e n t o r 的h y p e r l y n x 并口z u k e n 的h o t s t a g e 。 i 0 接口( 特别是高速串行接口) 也是产生e m i e m c 问题的一个主要辐射 源，尽管我们可以采取一些外部屏蔽措施和滤波匹配等电路设计补救措施，但 最根本的办法是彻底消除辐射大量干扰的输入输出器件( 如功放和收发器等) 和连接电缆。值得庆幸的是，随着柔性p c b 板材料、设计和制造技术的进步， 这一方法现在是完全可行的。现在z u k e n 从p c b 设计到制造一体化解决方案 c r 一5 0 0 0 可以支持用柔性p c b 板来连接两块不同层数的p c b 硬板，柔性p c b 板 的应用不仅可省掉e m i 辐射较大的i 0 端口和器件，而且可提高系统的可靠性 和节省系统的b o m 成本。 根据公式c = f 入。可以求得该电路信号的波长为7 5 米。没有经过调制 的情况下要将信号辐射出去必须要有入4 的天线，即1 8 7 5 m 的天线。实际电路 中的电路板不可能达到这个值，所以该电路板的制造时工艺要求相对简单。但在 p c b 的设计当中我们要尽量按照高频电路布线的要求，避免射频信号在大功率条 件下产生的不必要损失。 为了防止e m i ( 即电磁干扰) ，器件应该整体紧凑地排在电路板上，同时加 宽地线和电源线的宽度，为了增加屏蔽作用，本设计在电路板上增加铜网，且将 铜网与地线相联，p c b 板在布线时尽量避免直角，可将布线转角设置成斜直角即 4 5 度。在电路的电源线上还加上滤波器和退耦电容( 或去耦电容) 。 图2 1 4 电路板p c b 图 f i g 2 14t h ep c bo fc i r c u i tb o a r d 2 4 2p c b 的布线问题 图2 1 4 为电路板的p c b 图。设计p c b 时，往往很想使用自动布线。通常， 纯数字的电路板( 尤其信号电平比较低，电路密度比较小时) 采用自动布线是没 有问题的。但是，在设计模拟、混合信号或高速电路板时，如果舅：召布线软件的 自动布线工具，可能会出现一些问题，甚至很可能带来严重的l = i i 圭能问题，因 此特别是在高频信号模拟电路中，最好使用手动布线。 在手动布线时，为确保正确实现电路，需要遵循一些通用的设计准则：尽 量采用地平面作为电流回路；将模拟地平面和数字地平面分开；如果地平面被信 号走线隔断，为降低对地电流回路的干扰，应使信号走线与地平面垂直；模拟电 路尽量靠近电路板边缘放置，数字电路尽量靠近电源连接端放置，这样做可以降 低由数字开关引起的d i d t 效应。 本文在设计电路时，双面板都在底层布有地平面，地平面分别由铜网构成， 敷上铜网后的p c b 板如图2 1 5 所示。这种做法是为了方便工程师解决问题，使 其可快速明了电路的布线。为此更为普遍的做法是将地平面布在电路板顶层，以 降低电磁干扰。 对于电流回路，需要注意如下基本事项： l 、如果使用走线，应将其尽量加粗。p c b 上的接地连接如要考虑走线时， 设计应将走线尽量加粗。这是一个好的经验法则，但要知道，接地线的最小宽度 是从此点到末端的有效宽度，此处“末端”指距离电源端最远的点。 2 、不同性质的信号要避免经过不同性质的器件。例如数字电流不应流经模 拟器件，数字器件开关时，回路中的数字电流相当大，但只是瞬时的，这种现象 是由地线的有效感抗和阻抗引起的，经过模拟器件的地平面或接地走线上的电压 图2 1 5 敷上铜网后的p c b 项层图 f i 2 2 15t h et o p1 a y e ro fp c bw i t hc o p p e rn e t w o r l ( 变化，将改变信号链中信号和地之间的关系( 即信号的对地电压) 。另外，高速 电流也不应经过低速器件，与上述类似，高速电路的地返回信号也会造成地平面 的电压发生变化。 3 、如果使用地平面，分割开地平面可能改善或降低电路性能，因此要谨慎 使用，分开漠拟和数字地平面时，精密模拟电路更靠近接插件，但要与数字网络 和电源电路斤关电流隔开。如果不采用地平面，应采用星形连接策略。 4 、除了上述注意事项外，还应避免地环路，同时接地回路必须设计为最小 阻抗和容抗。 顺便提一下，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，对电路板进行热分析，具体见第四章。根据 每一级管子的功耗p d 以及管子的热特性指标，这些热特性指标包括器件管芯传 到器件外壳的热阻r 呲，器件允许的结温为t 1 、工作环境温度为t a 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 设为3 0 0 k ，而且需要使用直流风机对m o s f e t 进行散热处理。 3 1 。4s t m e d 是产生信号源的工具 s t m e d 在设定各种激烈信号时非常方便直观，而且容易查对。用户可以在输 入网单文件中定义电路的输入信号源，也可以利用s t i m u l u se d i t o r 来编辑输入 信号源，包括正弦源、脉冲源、指数源、分段线性源等等。 3 1 5p a r t s 是对器件建模的工具 它可以半自动地将来自厂家的器件数据信息或者用户自定义的器件数据转 换为p s p i c e 中所用的模拟数据，并提供他们之间的关系曲线及相互作用，确定 元件的精度。由于电子元器件的种类复杂，模型参数库中的模型有限，所以 p s p i c e 提供了从器件特性直接提取模型各种参数的软件包p a r t s 。它从元器件制 造商提供的数据表中直接提取p s p i c e 的模型参数，而不需要对器件进行测量。 然后将该模型放入库中就可以利用模型进行仿真。p s p i c e 还允许用户对已有的 模型参数或器件的方程进行修改。 3 1 6p s p i c eo p t i m i z e r 是优化设置工具 它可根据用户指定的参数、性能指标和全局函数，对电路进行优化设计。 p s p i c e 所提供的优化工具o p t i m i z e r 是针对已经具有基本功能的电路的，如果 需要调节某些性能参数比如增益、带宽等，就可以使用0 p t i i i l i z e r 对电路进行优 化。o p t i m i z e r 将调整电路中某些参数的值，观察参数的微弱变化对电路性能的 影响，然后再次调整参数，直到性能达到要求为止。当对电路性能参数要求较多 时，需要调节参数也比较多，这时o p t i m i z e r 就能充分表现出它的优势。 3 1 7t e x t e d i t 是文本编辑器 在使用p s p i c e 进行电路模拟的过程中，会多次用到文件编辑器，比如对输 入文件的编辑、浏览输出文件等等。为了方便用户，p s p i c e 还提供了自己的文 本编辑器t e x t e d i t ，功能类似于w i n d o w s 中的记事本n o t e p a d 。 3 2p s p i c e 软件的分析功能 3 2 1 直流分析( d cs w e e p ) 直流分析包括电路的直流工作点分析( b i a sp o i n td e t a i l ) 、直流小信号 传递函数数值分析( t r a n s f e rf u n c t i o n ) 、直流扫描分析( d cs w e e p ) 和直流小 信号灵敏度分析( s e n s i t i v i t y ) 。在进行直流工作点分析时，电路中的电感全部 短路，电容全部开路；分析结果包括电路每个节点的电压值和在此工作点下的有 源器件模型参数值。这些结果以文本文件方式输出。 直流小信号传递函数的数值分析，计算电路在直流小信号下的输出变量与 输入变量的比值，以及