電暈檢測(cè)系統(tǒng)中低噪放大器的設(shè)計(jì)

　　摘要：遠(yuǎn)距離檢測(cè)電暈放電現(xiàn)象，對(duì)于減少放電損耗和避免電氣故障，具有重要的指導(dǎo)意義。在由螺旋天線、無(wú)源濾波器、低噪放大器等組成的遠(yuǎn)距離電暈檢測(cè)系統(tǒng)中，信號(hào)經(jīng)無(wú)源濾波后受到較大程度的衰減，為提高信噪比需進(jìn)行放大處理。根據(jù)電暈檢測(cè)系統(tǒng)指標(biāo)，采用晶體管構(gòu)成深度負(fù)反饋放大電路，將其三級(jí)級(jí)聯(lián)，設(shè)計(jì)出能與濾波器接口和后端的同軸電纜的接口較好的匹配的低噪放大器。利用ADS軟件進(jìn)行仿真并進(jìn)行實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果表明放大器符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的輸人/輸出匹配性能，帶寬和增益的取舍需要根據(jù)實(shí)際要求來(lái)平衡，為電暈檢測(cè)系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

　　引言

　　隨著我國(guó)電力事業(yè)的持續(xù)蓬勃發(fā)展以及特高壓輸電工程的投入使用，電暈放電的危害日益凸顯。在目前的檢測(cè)電暈放電現(xiàn)象領(lǐng)域中，主要的檢測(cè)方法有人工目視法、紅外熱成像檢測(cè)法、紫外光譜檢測(cè)法、脈沖電流檢測(cè)法和超聲波檢測(cè)法^[1-3]等。但是這些方法普遍存在檢測(cè)距離近的局限，不適用于電暈放電的遠(yuǎn)距離檢測(cè)。近年來(lái)，遠(yuǎn)距離的檢測(cè)方法成為電暈放電現(xiàn)象檢測(cè)的熱點(diǎn)。本文基于一種遠(yuǎn)距離的檢測(cè)法——電磁檢測(cè)法^[2]，研究設(shè)計(jì)了一套電暈放電檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由螺旋天線、無(wú)源濾波器、低噪放大器三部分組成，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測(cè)電暈放電現(xiàn)象。在這套電暈檢測(cè)系統(tǒng)中，高頻寬帶低噪放大器起著至關(guān)重要的作用。故本文在大概介紹電暈檢測(cè)系統(tǒng)的總體架構(gòu)的基礎(chǔ)上，著重來(lái)介紹低噪放大器^[4-6](LNA，Low Noise Amplifier)的設(shè)計(jì)過(guò)程。

　　1 電暈檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)原理及架構(gòu)

　　當(dāng)發(fā)生電暈放電現(xiàn)象時(shí)，會(huì)伴隨有電磁輻射信號(hào)發(fā)出，其具有非常明顯的波形特征。因此電暈放電產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)可以作為檢測(cè)電暈放電現(xiàn)象的突破口。本文所述電暈檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)電暈放電現(xiàn)象所采用的方法就是——電磁檢測(cè)法。在電暈檢測(cè)系統(tǒng)中必須選擇特定的頻帶來(lái)檢測(cè)電暈放電產(chǎn)生的電磁輻射信號(hào)，從而有效的避開(kāi)廣播電臺(tái)、手機(jī)信號(hào)等各個(gè)干擾信號(hào)所在頻帶范圍。本文選定220MHz-280MHz為特征頻帶進(jìn)行電暈放電電磁輻射信號(hào)的檢測(cè)，經(jīng)過(guò)調(diào)研相關(guān)的資料文獻(xiàn)^[7]和戶外實(shí)驗(yàn)，這個(gè)頻帶在無(wú)線電頻譜規(guī)劃中是相對(duì)空閑的，沒(méi)有什么空間無(wú)線電信號(hào)的干擾。

　　本文所述電暈檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

　　首先，螺旋天線對(duì)準(zhǔn)高壓電力設(shè)備或是高壓輸電線的某段位置，當(dāng)有電暈放電現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，其就會(huì)激發(fā)電磁場(chǎng)產(chǎn)生空間電磁波信號(hào)。天線將接收到的信號(hào)送入后端的無(wú)源模擬濾波器進(jìn)行濾波。由于信號(hào)本身就很微弱并且還經(jīng)過(guò)了無(wú)源濾波器，所以這時(shí)需要通過(guò)低噪放大器進(jìn)行相應(yīng)的幅度放大，然后利用不等長(zhǎng)的同軸電纜對(duì)天線接收到的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)反相。

　　其中高頻寬帶放大器除了補(bǔ)償前級(jí)無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò)的衰減外，還對(duì)信號(hào)作進(jìn)一步的放大，可以較大幅度的提高電暈放電輻射信號(hào)的信噪比，使信號(hào)達(dá)到后端信號(hào)采集設(shè)備的采集分辨范圍，以使所接收的信號(hào)能夠精確被采集。所以這里的低噪放大器的設(shè)計(jì)決定了電暈檢測(cè)系統(tǒng)的精確程度，是電暈檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，也是本文論述的重點(diǎn)。

　　2 低噪放大器的設(shè)計(jì)

　　2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

　　在本文中，設(shè)計(jì)低噪放大器應(yīng)該滿足以下方面的指標(biāo)：① 噪聲系數(shù)≤2dB;② 放大增益≥30dB;③ 特征頻帶為：220MHz-280MHz;④本設(shè)計(jì)中全部采用50Ω的接口和耦合，故放大器的輸入/輸出阻抗一定要嚴(yán)格匹配到50Ω;⑤低噪放大器穩(wěn)定工作，不能夠產(chǎn)生自激。

　　綜合以上五個(gè)方面的內(nèi)容，接下來(lái)就展開(kāi)對(duì)低噪聲放大器的探索設(shè)計(jì)。

　　2.2 輸入回路

　　在低噪放大器的前端，為了進(jìn)一步提高天線接收信號(hào)的信噪比，本文在此處引入一個(gè)無(wú)源模擬濾波器作為輸入回路，提取出特征頻帶(220MHz-280MHz)內(nèi)的信號(hào)，抑制帶外干擾信號(hào)。

　　本文在此采用的模擬濾波器是一個(gè)LC無(wú)源帶通濾波器，該輸入回路是一種集總參數(shù)電路，其電路原理圖2所示。其由保護(hù)電路、低通濾波器、高通濾波器和兩個(gè)高頻陷波器^[8]四部分組成。

　　圖2中：D1、D2、L1為輸入保護(hù)電路，它并接在天線輸入端，其中D1和D2選用型號(hào)為1SS355的高速開(kāi)關(guān)二極管，其目的是保護(hù)第一級(jí)高頻放大管。因?yàn)樵陔姇灧烹姮F(xiàn)象發(fā)生的瞬間，極短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊幅度，很容易對(duì)電路造成損壞。故當(dāng)有異常的高壓出現(xiàn)在輸入端時(shí)，需要有限幅保護(hù)電路來(lái)發(fā)揮作用。該開(kāi)關(guān)二極管的反向擊穿電壓為80V，反向電流為0.1µA，反向恢復(fù)時(shí)間為4ns，耗時(shí)極短，正向?qū)妷?.2V，正向?qū)ㄗ畲箅娏?25mA，結(jié)電容小于3pF，其特性非常適合用于保護(hù)電路。 L1為抵消二極管結(jié)電容設(shè)置，它與開(kāi)關(guān)二極管的結(jié)電容構(gòu)成一個(gè)低Q值的并聯(lián)諧振回路，兩個(gè)二極管并聯(lián)的結(jié)電容值為6pF，L1的值為0.068µH，將其帶入公式

　　計(jì)算可得其諧振頻點(diǎn)的值為249MHz，即中心頻率點(diǎn)。