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[经验] 【超高性价比】100W场效应管短波功放--制作过程分享

2020-5-4 13:52:44  532 短波功放 100W功放 射频 RFID 功率放大器
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1
                                                      
【超高性价比】100W场效应管短波功放--制作过程分享
1.jpg
            
      绝大部分业余无线电发烧友,在城市、户外架设私有电台时都是使用一百瓦以下的通联设备。随着目前城市电磁干扰越来越大,以前打开机器显示底噪S1-2,用5w随便通联全球已经成为历史。
      
为了提升通联质量,搜索稀有的远征台,想穿过强大的日本墙,就得提升电台的收发功率,配备一台短波大功率功放也就必不可少。
      
      说到功放,想必大家都不陌生,就是把信号放大最后经过天线发射出去,相信很多HAM也有遇到过类似的尴尬:手头上刚好有台QRP小机器,无耐功率不足,对方100W呼叫过来,我能抄收,我用5W的设备回复对方却无法抄收。这对刚入门的HAM积极性很受打击(对当时初出茅庐的我也深受打击)。
      
        这次我想挑战一下难度,就打算直接动手做一款低成本,低频大功率场效应管短波功放。
      
        功放说起来很简单,但是做起来要考虑的事情比较多,我以前也做过不少的功放,但是都是小功率的,窄带;不超过10W的功率,相对来说还好做一点。好了,废话少表,我们先从基础开始,目的是教会大家制作一台高质量的足功率的功放。我们已经为各位发烧友准备的完备的DIY材料,淘宝链接:https://c.tb.cn/c.0moijX
      
预备知识
      
        通过难易程度分类,目前功放可以分为宽带功放和窄带功放如下图所示:
2.jpg
            
其实在这里面还能分类,分为线性功放和非线性功放,随着现在的数字调制技术的发展,对功放的要求也是很苛刻的。有些是多载波信号(OFDM),这个就对功放的要求比较严格,必须要使用线性功放。但是线性功放功率不能做的很大,目前国内做的线性功放多数都是功率回退(即降低功放功率),直接导致功放的效率很低,平均会将功率降额到10%左右。
      
下面是我采用的方案。
      
正式开始~
      
本次分享制作的目的,加深对短波功放的理解,拉近与短波功放的距离,有兴趣的HAM可自己买材料DIY;或直接购买成品机(我们已为大家准板好PCB板、原材料,可自己手动DIY,或者直接购买已经装配好的成品)。
      
Ok~,大家一起动手和学习交流、制作功率放大器!
      
先从原理图表起
      
下图是整个功放系统的框图,这跟所有的功放几乎都是差不多了,只是功放部分不一样。
3.jpg
            
简单介绍一下功放的组成:
      
1)    输入输出电路。负责检波、收发切换、阻抗变换、衰减
      
2)    触发电路
      
3)    偏置电路。主要功能:稳压、滤波、限流、退偶
      
4)    负反馈电路。主要功能:RC反馈、RL反馈、LCR反馈
      
5)    阻抗变换电路
      
6)    滤波电路。主要功能:π型低通滤波器、触发电路、显示电路
      
7)    保护电路。主要功能:过载过流保护、过热保护、驻波保护
      
8)    散热件。主要功能:固定、散热
      
先看看成品效果:使用13.9V供电5-7w输入,各频段输出功率
4.jpg
            
成品图
5.jpg
            
BOM表
      
            
型号
         
            
物料
         
            
数量
         
            
价钱
         
            
合计
         
            
IRF540N
         
            
功率管
         
            
2
         
            
2.5
         
            
5
         
            
100UF16V
         
            
电容
         
            
1
         
            
0.5
         
            
0.5
         
            
470UF/25V
         
            
电容
         
            
1
         
            
0.8
         
            
0.8
         
            
47UF25V
         
            
电容
         
            
2
         
            
0.5
         
            
1
         
            
104/50V
         
            
电容
         
            
6
         
            
0.5
         
            
3
         
            
473/50V
         
            
电容
         
            
1
         
            
0.25
         
            
0.25
         
            
100P/500V
         
            
电容
         
            
3
         
            
3
         
            
9
         
            
100P/50V
         
            
电容
         
            
2
         
            
0.2
         
            
0.4
         
            
103/50V
         
            
电容
         
            
2
         
            
0.5
         
            
1
         
            
680K
         
            
电阻
         
            
1
         
            
0.05
         
            
0.05
         
            
10R
         
            
电阻
         
            
2
         
            
0.05
         
            
0.1
         
            
100K
         
            
电阻
         
            
1
         
            
0.05
         
            
0.05
         
            
1K
         
            
电阻
         
            
5
         
            
0.05
         
            
0.25
         
            
430R/2W
         
            
电阻
         
            
2
         
            
0.5
         
            
1
         
            
51R/2W
         
            
电阻
         
            
1
         
            
0.5
         
            
0.5
         
            
7805
         
                                  
1
         
            
1.5
         
            
1.5
         
            
2K/VR
         
                                  
1
         
            
0.5
         
            
0.5
         
            
3906
         
                                  
1
         
            
0.2
         
            
0.2
         
            
3904
         
            
三极管
         
            
1
         
            
0.2
         
            
0.2
         
                                  
 
         
            
1
         
            
2.5
         
            
2.5
         
            
10R/1W
         
            
电阻
         
            
1
         
            
0.2
         
            
0.2
         
            
100R/1W
         
            
电阻
         
            
2
         
            
0.2
         
            
0.4
         
                                  
红绿
         
            
2
         
            
0.25
         
            
0.5
         
            
4148
         
                                  
3
         
            
0.15
         
            
0.45
         
            
滤波磁芯
         
            
 
         
            
4
         
            
1
         
            
4
         
            
输入磁芯
         
            
 
         
            
1
         
            
2
         
            
2
         
            
输出磁芯
         
            
 
         
            
1
         
            
12
         
            
12
         
            
散热片
         
            
 
         
            
1
         
            
15
         
            
15
         
            
风扇
         
            
 
         
            
1
         
            
5
         
            
5
         
            
漆包线
         
            
 
         
            
1
         
            
2
         
            
2
         
            
SMA口
         
                                  
2
         
            
2.5
         
            
5
         
            
PCB板子
         
            
 
         
            
1
         
            
15
         
            
15
         
                                  
 
         
            
1
         
            
2.5
         
            
2.5
         
      
我的原材料都是选用市面上常见的器件,没有昂贵的芯片器件,有利于大家节约采购和原材料成本。喜欢DIY的朋友可以加入QQ群928739128一起讨论。
      
XDT-PA100测试
      
功放到底做的好不好,需要测试指标说话。为此,我也专门请我的研究生同学帮我进行了测试。可能有些HAM要问,为什么不自己测试呢?原因嘛当然是那些昂贵的仪器了。先看下需要的测试仪器。
      
测试仪器
                                          
名    称
                                      
参考型号
                                      
数量
                                      
备 注
                     
                                      
频谱仪
                                
Agilent N9020A频谱仪
                                
1台
                                
                  
                              
射频信号源
                                
Agilent E4438C信号源
                                
1台
                                
                  
                              
华湘衰减器
                                
150W-30dB
                                
1个
                                
                  
                              
超线性功放
                                
5W输出
                                
1台
                                
                  
                              
定时开关
                                
                                
1个
                                
                  
                              
电源
                                
中兴ZXD2400
                                
1台
                                
                  
                              
PC机
                                
                                
1台
                                
                        
我主要想测试功放在各个功率等级下的稳定性如何,会不会忽高忽低的摆动,这样射频信号输出也会忽强忽弱,影响通联信号的质量。为此我决定这样测试:由信号源输出20~100Hz 3.5W~5W的信号,首先经过超线性功放,进入XDT-PA100短波功放,输出到衰减器,再进入频谱分析仪。功放功率进入发射状态15秒后,转入接收状态15秒,再进入发射状态15秒,如此反复测试60分钟。观察频谱输出功率有无明显变化,观察电流有无突变,有无功率管烧毁,有无滤波器烧毁等故障。
      
此处最好补充下测试平台的图片~~
      
经过60分钟的老化测试后,功放表面有一定温升,但是在可以接受的范围内,功放仍能正常运作,各项指标均符合性能要求。
      
测试表格
      
温度:12℃           湿度:  57%                电压:19.00V
      
            
frequency
         
            
input
         
            
output
         
            
100
         
            
3.5w
         
            
11w
         
            
90
         
            
4.5w
         
            
15w
         
            
80
         
            
4.5w
         
            
17w
         
            
70
         
            
5W
         
            
17w
         
            
60
         
            
5W
         
            
19w
         
            
50
         
            
5W
         
            
22w
         
            
40
         
            
5W
         
            
35w
         
            
30
         
            
5W
         
            
46w
         
            
20
         
            
5W
         
            
57w
         
      
      
这次呢,我主要和大家分享了我们小蛋挞功放的原理,器件和测试,希望大家对这个小项目有个大概的了解,当然仅仅上面知识还是不够的,因为对于射频通信来说,除了功率稳定性外,其它性能指标像输入阻抗,输出阻抗,选什么功率管性价比最高等等很多问题,我计划下一次和大家分享。
6.jpg
      
   
   
Stephenhu1984 2020-5-8 23:46:03
感觉不错,支持下,谢谢分享
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