CN109347451B - 一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器 - Google Patents

一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器，属于无损检测领域。SMA输入接口接收到的信号依次传递给巴伦1、初级功放模块和巴伦2；巴伦2同时传输给直流偏置电路1和直流偏置电路2；再分别经过功率管1和功率管2放大后传输给巴伦3和低通滤波电路模块；最后经由SMA输出接口输出；该功率放大器工作频率覆盖超声导波检测信号的最优频段，覆盖带宽宽，功率增益大，效率高，经过该功率放大器之后的超声导波信号可以满足激励信号检测要求，可以对更长的锚杆试件进行无损检测。

Description

一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器
技术领域
本发明涉及一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器，属于无损检测领域。
背景技术
在交通运输、隧道施工等关键领域，锚杆锚固技术已广泛应用在各类岩土工程中，且已成为各种矿山、公路、铁路以及地下工程隧道等边坡护理的重要手段，在工程应用上，锚杆的锚固质量的好坏直接关系到项目的实施进程，因此对锚杆锚固质量进行检测显得尤为重要。
在选用超声导波无损检测技术对锚杆锚固质量进行检测的过程中，当待测锚杆试件长度过长时，由于超声导波激励信号相对微弱，且导波在锚杆内部传播时存在衰减，造成部分反射回波信号无法完整呈现锚杆内部结构信息，不能对锚杆质量进行合理评估。因此需要对激励信号进行功率放大，增大信号能量，使放大后的信号满足超声导波检测要求，并在待测试件中传播更远的距离，从而更加充分的反应待测试件内部结构信息。
发明内容
本发明的目的是解决对锚杆锚固质量进行无损检测过程中，激励信号功率不足导致的超声导波在锚杆中传输距离太短的问题，提出一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器。该功率放大器工作频率覆盖超声导波检测信号的最优频段，覆盖带宽宽，功率增益大，效率高，经过该功率放大器之后的超声导波信号可以满足激励信号检测要求，可以对更长的锚杆试件进行无损检测。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器，包括电源模块、SMA输入接口、巴伦1、初级功放模块、巴伦2、次级功放模块、巴伦3、低通滤波电路模块和SMA输出接口。
上述次级功放模块由直流偏置电路1、功率管1、直流偏置电路2和功率管2组成；
SMA输入接口接收到的信号依次传递给巴伦1、初级功放模块和巴伦2；巴伦2同时传输给直流偏置电路1和直流偏置电路2；再分别经过功率管1和功率管2放大后传输给巴伦3和低通滤波电路模块；最后经由SMA输出接口输出；
其中，电源模块为整个电路结构中的各电子元器件供电，根据不同元器件的供电需求不同，主要提供12V、5V和3.3V三种电压。
SMA输入接口作为激励信号的连接端，用来将前级发射出来的微弱激励信号传递到后续的电路结构中去，起到接收输入信号的作用。
巴伦1是一个4:1的输入变压器，采用线圈耦合的方式制作，用来调节信号的输入阻抗。
初级功率放大电路以2SC1971高频放大管为核心，通过12V的电源为该高频放大管提供直流偏置电压，2SC1971高频放大管工作在A类放大状态，整个初级功率放大电路起到一个前置放大的作用，用来推动后续电路正常工作，减少非线性失真。
巴伦2是一个9:1的变压器，采用线圈耦合的方式制作，相当于一个不平衡—平衡转换器，用于将单端不平衡信号转换成功率相等、相位相反的平衡信号。
次级功放模块以两个N沟道的MOSFET场效应管IRF530为核心，构成互补对称式AB类功率放大电路结构，通过前面的不平衡—平衡转换器，单端信号被分成两路对称式的双端信号，这两路信号分别经由电容、电阻以及高频扼流线圈组成的电路结构之后，通过工作在AB类偏置状态的两个场效应管IRF530进行次级功率放大，能够同时满足转换效率高和非线性失真小的要求。
巴伦3是一个1:4的变压器，同样采用线圈耦合的方式制作，它相当于一个平衡—不平衡转换器，将经过次级功率放大器放大后的功率相等、相位相反的双端平衡信号转换成单端不平衡信号，以便于低通滤波电路的处理。
低通滤波电路模块由LC结构构成，用来对经过两级功放电路放大后的信号进行低通过滤处理，以确保5MHz以上的高频信号被滤除。
SMA输出接口作为激励信号的输出端，用来将整个功率放大器放大后的激励信号传递到后续的电路结构中去，以便于之后无损检测工作的顺利进行，为输出信号提供一个接口。
下面对该功率放大器的初级功放模块和次级功放模块的电路元器件组成及连接关系进行详细介绍。
初级功放模块包括：电容C8、电容C9、电容C10、电容C13、电阻R5、电阻R9、电阻R11、电阻R13、电阻R17、电阻R18和2SC1971高频放大管；电阻R5、电阻R11和电阻R13依次连接；电容C8并联到电阻R5和电阻R11之间；电容C10并联到电阻R11和电阻R13之间；电阻R17、电阻R18和电容C13并联后和2SC1971高频放大管的发射极连接，同时另一端接地；电容C9和电阻R9串联到2SC1971高频放大管的集电极和基极之间；电容C8和电阻R13一端接地。
次级功放模块包括：滑动变阻器RV1、RV2、电容C4、电容C5、电容C17、电容C31、电容C32、电容C42、电容C43、高频扼流圈L5、高频扼流圈L6、场效应管Q1、场效应管Q4、电阻R3、电阻R8、电阻R12、电阻R14、电阻R19和电阻R20；电阻R8电阻R14并联在巴伦2的输出端；电容C31和电容C42串联在巴伦2和场效应管Q1的漏级之间；电容C42和电阻R12并联；电阻R3、电容C5、电容C42和电阻R12共同连接到场效应管Q1的漏级和栅极之间；电容C32和电容C43串联在巴伦2和场效应管Q4的漏级之间；电容C43和电阻R20并联；电阻R19、电容C17、电容C43和电阻R20共同连接到场效应管Q4的漏级和栅极之间；高频扼流圈L5连接在电容C17和滑动变阻器RV1之间；高频扼流圈L6连接在电容C5和滑动变阻器RV2之间；电容C4并联在场效应管Q1的漏级和场效应管Q4的漏级之间；场效应管Q1和场效应管Q4并联，源级接地。
本功率放大器的具体工作过程是：
将需要放大的超声导波激励信号通过导线连接到功率放大器的SMA输入接口，当功率放大器接通电源后便立刻开始工作，超声导波激励信号首先经过耦合电容C12进行隔直流通交流的处理，之后信号接入一个π型RC滤波器，用来过滤原始激励信号中的多余谐波分量，紧接着通过一个4:1的输入变压器T1调节输入阻抗，与工作在A类放大状态的2SC1971相连，通过初级功放电路的放大，输入信号功率增益为20dB，同时减小了输入信号的非线性失真。
信号经过初级功率放大电路之后，与一个9:1的变压器(不平衡—平衡转换器)T2相连，把单端不平衡信号转换成功率相等、相位相反的双端平衡信号，之后通过互补对称的电容、高频扼流线圈、可变电阻等元器件组成的电路结构的作用，与工作在AB类放大状态的两个场效应管IRF530相连，完成次级功率放大，次级功率放大同时满足效率高和非线性失真小的要求，功率增益达到15dB。
信号经过次级功率放大电路之后，与一个1:4的变压器(平衡—不平衡转换器)T3相连，将功率相等、相位相反的平衡信号转换成单端不平衡的信号，紧接着通过一个LPF低通滤波器，滤掉信号中的高频杂波部分，最后连接到一个SMA插座，将放大后的信号输出，从而完成整个功率放大过程。
有益效果
本设计在能够满足特定功率增益要求的同时，所选用的元器件的成本十分低廉，最终放大效果明显，放大信号的工作频率覆盖到0-5MHz，且电路前后级设计灵活，可根据不同的设计需求选择单独封装成功率放大器，或者作为其他系统级电路结构的一部分完成功率放大的功能作用，可以应用于多种不同的测试场合。
附图说明
图1为本发明的功率放大电路的整体结构框图；
图2为本发明的初级功率放大部分的电路原理图；
图3为本发明的次级功率放大部分的电路原理图；
图4为本发明的后级滤波部分的电路原理图；
图5为本发明的功率放大电路实物的俯视图；
图6为本发明的功率放大电路实物的侧视图；
图7为本发明的功率放大电路的测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的实施方式做进一步详细说明。
实施例1
本发明的超声导波功率放大器组成结构框图如图1所示，主要包括电源供电部分、SMA输入接口、巴伦1、初级功放模块、巴伦2、次级功放模块、巴伦3，低通滤波器和SMA输出接口。由该结构图可以看出，整个功率放大电路由两级功率放大结构组成，巴伦1对输入信号进行阻抗变换以便和初级功放的输入阻抗做好匹配，输入阻抗匹配到50欧姆，巴伦2是一个不平衡—平衡转换器，用于将单端不平衡信号转换成功率相等、相位相反的平衡信号，经过巴伦2后的电路是两路对称的结构，构成互补对称式的次级功率放大电路，信号经过次级功率放大电路放大后再经过巴伦3(平衡—不平衡转换器)将放大后的两路平衡信号转换为单端不平衡信号，送到后续的负载电路，同时进行输出阻抗匹配，输出阻抗匹配到50欧姆。最后通过一个低通滤波电路和SMA输出接口相连，将放大后的信号输出。
初级功率放大电路的原理图如图2所示，从图中可以看出，初级功率放大电路以2SC1971晶体管为核心，输入信号首先通过SMA头接入电路结构，后面接入一个π型RC滤波器，用来过滤信号中多余的谐波分量，之后和一个4:1的输入变压器相连用于调节输入阻抗，输入阻抗匹配到50欧姆，后面接入直流偏置电路，接到2SC1971高频放大管的基级来调节三极管的静态工作点，选用12V电源为晶体管提供正常工作所需要的偏置电压，R9和C9构成的负反馈结构，使2SC1971工作在A类工作状态。整个初级功放电路起到了一个前置放大的作用，以便推动后续电路正常工作，减少非线性失真，经计算初级功率放大电路的增益为20dB。
次级功率放大电路的原理图如图3所示，从图中可以看出，次级功率放大电路以两个N沟道MOSFET场效应管IRF530为核心，构成互补对称式AB类功率放大结构。其中T2是不平衡—平衡转换器，采用线圈耦合的方式制作，用于将单端不平衡信号转换成功率相等、相位相反的平衡信号，同时起到阻抗匹配的作用，VCC_IN为T2的初级线圈提供12V的工作电压，R22拓宽带宽，降低变压器的Q值(品质因数)，信号经过T2后分成两路功率相等、相位相反的平衡信号，R8和R14起到次级输入信号阻抗匹配的作用，用于稳定次级输入阻抗，增大带宽；C31和C32是两个耦合电容，作用是使得交流信号从前一级顺利传到下一级；VCC_TX_Base为该部分电路提供偏置电压；RV1，RV2是可调电阻，用来调整Q1、Q4的静态工作电流，使得Q1和Q4工作在AB类工作状态；C5和R3构成负反馈电路连接在MOS管的漏级(D)和栅级(G)之间；C42和R12组合构成一个强制稳定电路，以保证功放的稳定性；L5和L6是偏置电路高频扼流线圈(RFC)，提供直流通道，遏制交流信号；通过以上的元器件调节，使得场效应管Q1和Q4工作在AB类偏置状态，同时满足效率和非线性失真小的要求，经计算次级功放电路功率增益为15dB，满足设计要求。
后级滤波电路原理图如图4所示，从图中可以看出，T3是一个采用线圈绕制的输出变压器，将两路差分信号进行转换，同时提供阻抗变换功能，将低阻抗转换成高阻抗50Ω，实现推挽放大，转换后的信号通过一个LPF低通滤波器，滤掉高频杂波信号，后面连接一个SMA插座，作为整个功率放大器的信号输出端。
通过器件选型，原理图设计，PCB制作，元器件焊接的电路板设计流程，设计的功率放大器如图5和图6所示。从功率放大器的俯视图可以看出，功率放大电路主要由三个变压器线圈、三个RFC高频扼流线圈、若干电容电阻和两个SMA转BNC接头组成，功放设计中的线圈需要手动缠绕，初级和次级的绕制圈数严格按照原理图的设计比例进行绕制，绕制的线材选用合适粗细的漆包线进行缠绕，直径分为0.4mm、0.6mm和0.8mm三种。从功率放大器的俯视图可以看出，功率放大器底部采用了大块的铝材质合金结构与电路板部分相连，主要起到散热的作用，以避免功放在测试过程中发热严重而对电路板上的器件造成损坏。
已知条件：输入汉宁窗调制的正弦信号，信号频率1MHz，峰峰值电压1.32V，其波形信号如图7中的1号蓝色曲线所示。
输入信号的整个工作流程如下：
将已知的输入信号通过导线连接到SMA输入端接口处，经过功率放大器中的初级功率放大结构和次级功率放大结构后，信号放大了一定的倍数，再经过低通滤波电路之后，信号从SMA端口输出。
放大后的信号情况：输出信号的电压波形图如图7中的2号黄色曲线所示，经过功率放大器输出的信号仍是汉宁窗调制的正弦信号，输出信号频率1MHz，峰峰值电压63.2V。
数据计算：由功率增益计算公式
Figure BDA0001782072840000061
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计算得到功率增益为33.7dB，满足预期的放大增益指标要求。通过对比可以观察到，此功率放大器对超声导波信号的放大功能明显，输出的信号可以满足对锚杆试件检测的激励信号要求。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器，其特征在于：包括电源模块、SMA输入接口、巴伦1、初级功放模块、巴伦2、次级功放模块、巴伦3、低通滤波电路模块和SMA输出接口；
所述次级功放模块由直流偏置电路1、功率管1、直流偏置电路2和功率管2组成；
SMA输入接口接收到的信号依次传递给巴伦1、初级功放模块和巴伦2；巴伦2同时传输给直流偏置电路1和直流偏置电路2；再分别经过功率管1和功率管2放大后传输给巴伦3和低通滤波电路模块；最后经由SMA输出接口输出；
其中，电源模块为整个电路结构中的各电子元器件供电；
SMA输入接口作为激励信号的连接端，用来将前级发射出来的微弱激励信号传递到后续的电路结构中去，起到接收输入信号的作用；
巴伦1是一个4:1的输入变压器，采用线圈耦合的方式制作，用来调节信号的输入阻抗；
初级功率放大电路以2SC1971高频放大管为核心，通过12V的电源为该高频放大管提供直流偏置电压，2SC1971高频放大管工作在A类放大状态，整个初级功率放大电路起到一个前置放大的作用，用来推动后续电路正常工作，减少非线性失真；
巴伦2是一个9:1的变压器，采用线圈耦合的方式制作，相当于一个不平衡—平衡转换器，用于将单端不平衡信号转换成功率相等、相位相反的平衡信号；
次级功放模块以两个N沟道的MOSFET场效应管IRF530为核心，构成互补对称式AB类功率放大电路结构，通过前面的不平衡—平衡转换器，单端信号被分成两路对称式的双端信号，这两路信号分别经由电容、电阻以及高频扼流线圈组成的电路结构之后，通过工作在AB类偏置状态的两个场效应管IRF530进行次级功率放大，能够同时满足转换效率高和非线性失真小的要求；
巴伦3是一个1:4的变压器，同样采用线圈耦合的方式制作，相当于一个平衡—不平衡转换器，将经过次级功率放大器放大后的功率相等、相位相反的双端平衡信号转换成单端不平衡信号，以便于低通滤波电路的处理；
低通滤波电路模块由LC结构构成，用来对经过两级功放电路放大后的信号进行低通过滤处理，以确保5MHz以上的高频信号被滤除；
SMA输出接口作为激励信号的输出端，用来将整个功率放大器放大后的激励信号传递到后续的电路结构中去，以便于之后无损检测工作的顺利进行，为输出信号提供一个接口。
2.如权利要求1所述的一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器，其特征在于：所述初级功放模块包括：电容C8、电容C9、电容C10、电容C13、电阻R5、电阻R9、电阻R11、电阻R13、电阻R17、电阻R18和2SC1971高频放大管；电阻R5、电阻R11和电阻R13依次连接；电容C8并联到电阻R5和电阻R11之间；电容C10并联到电阻R11和电阻R13之间；电阻R17、电阻R18和电容C13并联后和2SC1971高频放大管的发射极连接，同时另一端接地；电容C9和电阻R9串联到2SC1971高频放大管的集电极和基极之间；电容C8和电阻R13一端接地。
3.如权利要求1所述的一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器，其特征在于：所述次级功放模块包括：滑动变阻器RV1、RV2、电容C4、电容C5、电容C17、电容C31、电容C32、电容C42、电容C43、高频扼流圈L5、高频扼流圈L6、场效应管Q1、场效应管Q4、电阻R3、电阻R8、电阻R12、电阻R14、电阻R19和电阻R20；电阻R8电阻R14并联在巴伦2的输出端；电容C31和电容C42串联在巴伦2和场效应管Q1的漏级之间；电容C42和电阻R12并联；电阻R3、电容C5、电容C42和电阻R12共同连接到场效应管Q1的漏级和栅极之间；电容C32和电容C43串联在巴伦2和场效应管Q4的漏级之间；电容C43和电阻R20并联；电阻R19、电容C17、电容C43和电阻R20共同连接到场效应管Q4的漏级和栅极之间；高频扼流圈L5连接在电容C17和滑动变阻器RV1之间；高频扼流圈L6连接在电容C5和滑动变阻器RV2之间；电容C4并联在场效应管Q1的漏级和场效应管Q4的漏级之间；场效应管Q1和场效应管Q4并联，源级接地。
4.如权利要求1所述的一种用于提高超声导波信号能量的功率放大器，其特征在于：功率放大器的具体工作过程是：
将需要放大的超声导波激励信号通过导线连接到功率放大器的SMA输入接口，当功率放大器接通电源后便立刻开始工作，超声导波激励信号首先经过耦合电容C12进行隔直流通交流的处理，之后信号接入一个π型RC滤波器，用来过滤原始激励信号中的多余谐波分量，紧接着通过一个4:1的输入变压器T1调节输入阻抗，与工作在A类放大状态的2SC1971相连，通过初级功放电路的放大，输入信号功率增益为20dB，同时减小了输入信号的非线性失真；
信号经过初级功率放大电路之后，与一个9:1的变压器T2相连，把单端不平衡信号转换成功率相等、相位相反的双端平衡信号，之后通过互补对称的电容、高频扼流线圈、可变电阻组成的电路结构的作用，与工作在AB类放大状态的两个场效应管IRF530相连，完成次级功率放大，次级功率放大同时满足效率高和非线性失真小的要求，功率增益达到15dB；
信号经过次级功率放大电路之后，与一个1:4的变压器T3相连，将功率相等、相位相反的平衡信号转换成单端不平衡的信号，紧接着通过一个LPF低通滤波器，滤掉信号中的高频杂波部分，最后连接到一个SMA插座，将放大后的信号输出。
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