电离层无线电探测设备高频扫频脉冲功率放大器设计

摘要

电离层的研究在电离层物理学中一直占有重要的地位。电离层无线电探测设备是地面观测研究电离层的主要常规设备，发射机是无线电探测设备的重要组成部分之一，发射机的性能优劣对电离层无线电探测设备有很大影响。在发射机的设计中，功率放大器是一个十分重要的研究课题。它对于提高发射机性能、改善无线电探测设备和推动电离层的研究有着极其重要的意义。本文主要围绕这一方向开展研究工作，在系统介绍发射机的基础上，重点讨论高频扫频脉冲功率放大器的设计与实现。对于本设备而言，主要侧重于脉冲功率放大器的功率、带宽和效率的研究。
　　首先，本文介绍了研制的电离层无线电探测设备高频扫频脉冲功率放大器。它由高频信号放大器、偏置电压处理模块、输出滤波器、定向耦合器和辅助电源等构成。这套系统的特点为发射频率、信号幅度均可由收发机控制，放大能力强、输出功率稳定、带外干扰辐射小，工作参数灵活、响应速度快、工作参数范围宽。同时，与收发机配合工作，能分析处理后在监控计算机上实时显示，生成特定格式的频高图以及其它格式的探测数据，以二进制文件格式在计算机上永久保存，通过计算机网络也可以将这些数据图形在全球范围内进行实时发布。
　　其次，详细介绍了以固体电子类射频功率放大器作为主要方向实现无线电探测设备高频扫频脉冲功率放大器的设计,即将收发机中已调制的调相信号经集成滤波器滤除其所带来的干扰和噪声后，将信号进行一级甲类放大和两级甲乙类推挽放大，把1Vpp的输入信号放大成500Vpp(在阻抗50Ω天线负载上功率为625W)的输出信号，这样既保证信号的完整性，减小信号交越失真，同时又保证了信号放大功率。偏置电压处理电路对门控脉冲信号进行处理，得到门控脉冲信号上升时间约120us和下降时间约140us，使得各级放大电路在工作和静默两种状态之间以最快速度切换的同时而不产生开关冲击。9阶Chebyshev I输出滤波电路对输出信号进行滤波，把30MHz以上频率信号滤除，在1MHz-30MHz频段内，输出信号功率增益平坦度在5dB之内。定向耦合器及开路保护电路对正向功率、反射功率进行检测、显示，并根据二者数值判断负载是否开路（若反射功率大于75W，负载开路），同时将测量结果及其他信息通过RS485发送到PC机。辅助电源电路向各个模块提供合适的供电电压。各个模块经上述详细设计调试后得到高频扫频脉冲功率放大器，根据测得数据计算得到功率放大器平均功率31.8％。放大后的调制信号经天线耦合发射出去。
　　最后，将高频扫频脉冲功率放大器结合收发机构成电离层无线电探测设备，在武汉电离层观测台实现电离层数据的实测。将实测数据与理论推导作对比分析，在收发机上开发了自动测试软件，采用发射信号功率增益调平的方法，保证了发射信号功率平坦度，得到了较为清晰的数字频高图。电离层无线电探测设备高频扫频脉冲功率放大器的实现验证了以固体电子类射频功率放大器作为研究方向的可行性，为进一步探索电离层提供了重要的技术路线。
　　总之，本文系统地介绍了高频扫频脉冲功率放大器的设计方法，并进行方案论证和指标分析，详细阐述了系统各个模块的设计过程并给出测试波形。然后将该高频扫频脉冲功率放大器用到电离层无线电探测设备中，得到电离层频高图。良好的实测结果表明该放大器的输出功率、效率、波形等达到了预期设计指标，通过实验验证了设计的正确性。本文工作的成果给电离层无线电探测和诊断技术提供了重要的辅助手段，同时对于电离层的进一步研究具有重要的意义。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 本课题所做的主要工作

1.3 论文章节安排

第2章 探测设备中脉冲功放方案分析

2.1 发射机简介

2.2 探测设备中脉冲功放设计指标

2.3 方案论证

2.4 本章小结

第3章高频扫频脉冲功放各模块电路研制

3.1 辅助电源模块设计

3.2 偏置电压处理电路设计

3.3 驱动信号放大电路

3.4 末级功放

3.5 功率检测及开路保护电路

3.6 输出滤波电路

3.7 本章小结

第4章 高频扫频脉冲功放整机调试

4.1 整机安装状况

4.2 干扰及抑制

4.3 本章小结

第5章脉冲功放测试数据分析及指标验证

5.1 功率放大器效率分析及计算

5.2 功率放大器失真度分析

5.3 功率放大器功率调平

5.4 测量的频高图实例

5.5 本章小结

第6章总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

致谢