畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

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1、河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院2011屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 作 者： 學(xué) 號(hào)： 系： 電子信息工程系 專(zhuān) 業(yè)： 電子信息工程 題 目： 小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者： 評(píng)閱者： 2011 年 6 月 8 日 61 畢業(yè)設(shè)計(jì)中文摘要 小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)

2、設(shè)計(jì) 摘要： 調(diào)幅發(fā)射機(jī)目前正廣泛應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)電廣播系統(tǒng)中，課題以電子線(xiàn)路課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)為應(yīng)用背景，通過(guò)查閱大量教學(xué)文獻(xiàn)，并結(jié)合專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)需要，以原教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，完成了小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)從設(shè)計(jì)、仿真到安裝、調(diào)試等一系列完整設(shè)計(jì)工作。 文中系統(tǒng)的設(shè)計(jì)了振蕩器、音頻放大器、振幅調(diào)制器和諧振功率放大器等系統(tǒng)單元電路，并通過(guò)具有射頻仿真模塊的軟件Multisim，試驗(yàn)和仿真優(yōu)化了系統(tǒng)電路。 文中還簡(jiǎn)明介紹了調(diào)幅技術(shù)與調(diào)頻技術(shù)各自的特點(diǎn)，認(rèn)識(shí)了兩者在原理與應(yīng)用上的不同。 關(guān)鍵詞：調(diào)幅發(fā)射機(jī) 功率放大器 Multisim 畢業(yè)設(shè)計(jì)外文摘要 Titl

3、e Design Of Low Power AM Transmitter Abstract AM transmitters are now widely used in radio broadcasting systems， this thesis as the background of electronic circuit，Through access to a large number of teaching literature, combined with teaching needs, based on the original teaching, comp

4、leted the low-power AM transmitters from the design, simulation to the installation and commissioning of a full range of design work. Oscillator, audio amplifier, power amplifier and resonant amplitude modulator is designed by the system,using software Multisim circuit simulation and optimization o

5、f the system. The thesis also briefly describes each characteristics of AM and FM , know the different both in applications and principle. Keywords：Low-power AM transmitters Power Amplifier Crystal oscillator 目 次 1 緒論………………………………………………………………………………………1 1.1 小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)初步認(rèn)識(shí)……

6、……………………………………………………1 1.2 小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀…………………………………………………2 1.3 小功率相關(guān)技術(shù)及熱點(diǎn)問(wèn)題分析……………………………………………………2 1.4 課題的研究任務(wù)和內(nèi)容………………………………………………………………5 2 方案設(shè)計(jì)與單元電路形式選擇…………………………………………………………6 2.1 發(fā)射機(jī)的總體認(rèn)識(shí)……………………………………………………………………6 2.2 單元電路的認(rèn)識(shí)………………………………………………………………………6 3 單元電路的設(shè)計(jì)與仿真 ………………………………

7、………………………………8 3.1 主振級(jí)與小信號(hào)放大級(jí)的設(shè)計(jì)………………………………………………………8 3.2 緩沖隔離級(jí)的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………11 3.3 語(yǔ)音放大級(jí)的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………12 3.4 幅度調(diào)制電路的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………13 3.5 高頻諧振功率放大器的設(shè)計(jì)…………………………………………………………16 3,6 諧振功率放大器的調(diào)整………………………………………………………………26 3.7 天線(xiàn)的相關(guān)知識(shí)及設(shè)計(jì)…………………………………

8、……………………………27 4 單元電路調(diào)試與整機(jī)統(tǒng)調(diào)……………………………………………………………29 4.1 主振級(jí)調(diào)試……………………………………………………………………………29 4.2 信號(hào)調(diào)制級(jí)調(diào)試………………………………………………………………………29 4.3 功率放大級(jí)調(diào)試………………………………………………………………………29 4.4 整機(jī)統(tǒng)調(diào)………………………………………………………………………………30 4.5 主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試方法………………………………………………………………31 5 硬件電路調(diào)試過(guò)程及示波器影像圖……………………………

9、……………………33 5.1 主振級(jí)硬件電路以及示波器圖像……………………………………………………33 5.2 音頻信號(hào)輸入級(jí)硬件電路以及示波器圖像…………………………………………33 5.3 振幅調(diào)制級(jí)硬件電路以及示波器圖像………………………………………………34 5.4 功率放大級(jí)硬件電路以及示波器圖像………………………………………………35 6 另外一種調(diào)幅發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)方案………………………………………………………38 6.1 主振級(jí)的選擇與仿真波形……………………………………………………………38 6.2 語(yǔ)音放大級(jí)選擇與仿真波形………………………………………

10、…………………39 6.3 AM調(diào)至電路與仿真波形……………………………………………………………39 6.4 整機(jī)電路的連接與仿真………………………………………………………………40 結(jié)論…………………………………………………………………………………………42 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………43 致謝…………………………………………………………………………………………45 附錄A 調(diào)幅技術(shù)與調(diào)頻技術(shù)主要特點(diǎn)及區(qū)別…………………………………………46 附錄B 集成調(diào)幅與調(diào)頻發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)……………………………………………………47 附

11、圖C 高頻電路設(shè)計(jì)基本步驟…………………………………………………………54 附圖D 選擇高頻元器件的基本設(shè)想……………………………………………………55 附圖1 整機(jī)所用元件列表………………………………………………………………56 附圖2 整機(jī)電路圖………………………………………………………………………57 附圖3 整機(jī)電路PCB圖…………………………………………………………………58 附圖4 整機(jī)電路實(shí)體圖…………………………………………………………………59 1 緒論 當(dāng)今時(shí)代，信息技術(shù)發(fā)展十分迅猛，產(chǎn)品更新?lián)Q代步

12、幅更是明顯加快，尤其是無(wú)線(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新非?；钴S，各類(lèi)技術(shù)加快發(fā)展和融合，新技術(shù)新應(yīng)用層出不窮，向社會(huì)各部門(mén)各領(lǐng)域的滲透日益廣泛深入。目前，移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)導(dǎo)航、遙控遙測(cè)、射電天文等40多種無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)已在我國(guó)的通信、廣播、電視、國(guó)防、安全、鐵路、交通、航空、航天、氣象、漁業(yè)、科研等多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[7]。 調(diào)幅技術(shù)目前正廣泛應(yīng)用于通信與廣播技術(shù)中，遠(yuǎn)距離世界性的信息傳播使得調(diào)幅技術(shù)展現(xiàn)了更大的應(yīng)用空間，如何更高效率的傳播有用信息，而且使信號(hào)的失真度達(dá)到最小，是下一代調(diào)幅技術(shù)需要研究的主要方向。調(diào)幅技術(shù)也是其他通信技術(shù)研究的基礎(chǔ)，通過(guò)研究調(diào)幅相關(guān)技術(shù)，能夠?qū)ξ磥?lái)通信技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生更深遠(yuǎn)

13、的認(rèn)識(shí)。 調(diào)幅發(fā)射機(jī)常用于通信系統(tǒng)與其他無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)中，在中短波領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，由于調(diào)幅簡(jiǎn)便，占用頻帶窄，設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此在發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。 在實(shí)際的廣播發(fā)射系統(tǒng)中，中波調(diào)幅的頻率范圍為535 ～ 1605 千赫，音頻信號(hào)中的高音頻率應(yīng)該被限制在 4.5 千赫以下，發(fā)射功率需要達(dá)到300W以上才能使空間覆蓋面達(dá)到比較好的狀態(tài)，此次設(shè)計(jì)需要在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中研究發(fā)射機(jī)的工作原理與原件選擇，因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件適當(dāng)降低技術(shù)指標(biāo)，載波頻率采用實(shí)驗(yàn)室較為常用的6MHz，單音頻調(diào)制信號(hào)選擇1KHz，發(fā)射機(jī)功率初步定為1W。 1.1 小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)初步認(rèn)識(shí) 目前，雖然調(diào)頻技術(shù)以及數(shù)字

14、化技術(shù)突飛猛進(jìn)，其應(yīng)用范圍覆蓋了無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的80%以上，但是由于小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)具有調(diào)制解調(diào)電路簡(jiǎn)單、調(diào)試容易、信號(hào)帶寬窄和技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，因此仍然使其能夠在中短波通信中廣泛得以應(yīng)用。課題以電子線(xiàn)路課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)為應(yīng)用背景，在仿真軟件與實(shí)驗(yàn)室中完成一個(gè)完整的調(diào)幅發(fā)射機(jī)，并實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電報(bào)功能。 發(fā)射機(jī)的主要任務(wù)是利用低頻音頻信號(hào)對(duì)高頻載波進(jìn)行調(diào)制，將其變?yōu)樵谶m合頻率上具有一定的帶寬，有利于天線(xiàn)發(fā)射的電磁波。一般來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)易發(fā)射機(jī)主要分為低頻部分、高頻部分、以及電源部分。高頻部分主要包括：主振蕩器、緩沖放大級(jí)、中間放大級(jí)、功放推動(dòng)級(jí)以及末級(jí)功放級(jí)。低頻部分主要包括：話(huà)筒、低頻電壓放大級(jí)、低頻功

15、率放大級(jí)以及末級(jí)低頻功率放大級(jí)等。 1.2 小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 調(diào)幅技術(shù)起源于上世紀(jì)20年代，商業(yè)廣播先后在美、蘇、英、德、法、中等國(guó)開(kāi)播，調(diào)幅廣播先后經(jīng)歷了中波調(diào)幅、短波調(diào)幅、數(shù)字化調(diào)幅等幾個(gè)階段。 盡管調(diào)幅廣播的帶寬只有9kHz或10kHz，音質(zhì)無(wú)法與調(diào)頻立體聲相比，但是由于調(diào)幅廣播發(fā)展時(shí)間最久，全球標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，在任何地方購(gòu)買(mǎi)的收音機(jī)在全球各地都能使用，接收工具簡(jiǎn)單，而且可以方便地進(jìn)行室內(nèi)、外的便攜接收與車(chē)、船中的移動(dòng)接收。因此至今它仍然是世界上使用最廣泛的廣播媒體。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界現(xiàn)在已有3333座短波發(fā)射臺(tái)，12590座中波發(fā)射臺(tái)，25億臺(tái)調(diào)幅收音機(jī)，其中7億臺(tái)可收

16、短波廣播。 我國(guó)是AM廣播的大國(guó)，新世紀(jì)開(kāi)始實(shí)施的西部創(chuàng)新工程還將進(jìn)一步擴(kuò)大AM廣播的規(guī)模，提高廣播覆蓋率與改變邊遠(yuǎn)地區(qū)空中秩序。中國(guó)這樣的大國(guó)不容易由調(diào)頻(FM)廣播覆蓋，因而調(diào)幅廣播仍然具有很大的市場(chǎng)。 1.3 小功率相關(guān)技術(shù)及熱點(diǎn)問(wèn)題分析 1. 調(diào)幅相關(guān) （1）調(diào)幅定義 英文是Amplitude Modulation（AM）。就是載波幅度按照給定調(diào)制信號(hào)瞬時(shí)值函數(shù)改變的調(diào)制方式。該函數(shù)通常是線(xiàn)性的[1]。 （2）調(diào)幅特點(diǎn) 一種調(diào)制方式，屬于基帶調(diào)制。使高頻載波的頻率隨信號(hào)改變的調(diào)制（AM）。其中，載波信號(hào)的振幅隨著調(diào)制信號(hào)的某種特征的變換而變化[2]。 （3）調(diào)幅方

17、式 調(diào)幅是使高頻載波信號(hào)的振幅隨調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)變化而變化。也就是說(shuō)，通過(guò)用調(diào)制信號(hào)來(lái)改變高頻信號(hào)的幅度大小，使得調(diào)制信號(hào)的信息包含入高頻信號(hào)中去，通過(guò)天線(xiàn)把高頻信號(hào)發(fā)射出去，然后就把調(diào)制信號(hào)也傳播出去了。這時(shí)候在接收端可以把調(diào)制信號(hào)解調(diào)出來(lái)，也就是把高頻信號(hào)的幅度解調(diào)出來(lái)就可以得到調(diào)制信號(hào)了[4]。 2.功率放大電路 （1）放大電路的基本原則 1)輸出功率大 要求輸出功率盡可能大是為了獲得較大的功率輸出，此時(shí)應(yīng)該讓功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因此管子往往在接近極限運(yùn)用狀態(tài)下工作[2]。 2)輸出效率要高 由于輸出功率大，因此直流電源消耗的功率也大，這就存在一個(gè)效率

18、問(wèn)題。所謂效率其定義式就是負(fù)載得到的有用信號(hào)功率和電源供給的直流功率的比值。這個(gè)比值越大，意味著效率越高[8]。 3)非線(xiàn)性失真要小 功率放大電路工作在大信號(hào)狀態(tài)下，所以不可避免地會(huì)產(chǎn)生非線(xiàn)性失真，而且同一功放管輸出功率越大，往往其非線(xiàn)性失真越嚴(yán)重，這就使輸出功率和非線(xiàn)性失真成為一對(duì)主要矛盾。但是，不同場(chǎng)合下，對(duì)非線(xiàn)性失真的要求也不同，例如，在測(cè)量系統(tǒng)和電聲設(shè)備中，非線(xiàn)性失真就顯得重要，而在工業(yè)控制系統(tǒng)等場(chǎng)合中，則以輸出功率為主要目的，對(duì)非線(xiàn)性失真的要求就降為次要了[10]。 （2）放大電路的工作狀態(tài) 1)甲類(lèi)放大 在輸入正弦信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，都有電流流過(guò)三極管，這種工作方式通常

19、稱(chēng)為甲類(lèi)放大[1]。 2)乙類(lèi)放大 在輸入正弦信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，只有半個(gè)周期，三極管的iC > 0 ，稱(chēng)為乙類(lèi)放大。 3)甲乙類(lèi)放大 在輸入正弦信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，有半個(gè)周期以上，三極管的iC > 0 ，稱(chēng)為甲乙類(lèi)放大[4]。 3.技術(shù)指標(biāo) 調(diào)幅發(fā)射機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)：載波頻率 ，載波頻率的穩(wěn)定度，輸出負(fù)載電阻RL，發(fā)射功率PA，發(fā)射機(jī)效率，調(diào)幅系數(shù)Ma，調(diào)制頻率F。 （1）發(fā)射功率 發(fā)射功率一般是指發(fā)射機(jī)輸送到天線(xiàn)上的功率。只有當(dāng)天線(xiàn)的長(zhǎng)度與發(fā)射機(jī)高頻振蕩的波長(zhǎng)λ可以相比擬時(shí)，天線(xiàn)才能有效地把載波發(fā)射出去。波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系為：λ= c/f[1]。 若接收機(jī)的靈敏度Us=2

20、μV，則通信距離s與發(fā)射功率PA的關(guān)系式為 (1-3-1) PA/mW 50 100 200 300 400 500 s/km 2.84 3.38 4.02 4.45 4.82 5.08 表1-3-1 發(fā)射功率與通信距離的關(guān)系 （2）工作頻率或波段 發(fā)射機(jī)的工作頻率應(yīng)該根據(jù)調(diào)制方式，在有關(guān)部門(mén)所規(guī)定的范圍內(nèi)選取才可以。對(duì)調(diào)頻發(fā)射機(jī)，工作頻率一般選在超短波（30-300MHZ）范圍內(nèi)；對(duì)于調(diào)幅發(fā)射機(jī)一般在中頻（0.3-3MHZ）和高頻（3-30MHZ）范圍內(nèi)[2]。 （3）總效率 發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射的總功率與其消耗的

21、總功率之比稱(chēng)之為發(fā)射系統(tǒng)的總效率，即 (1-3-2) 4.multisim軟件的特點(diǎn)與應(yīng)用 Multisim為美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司推出的以Windows為平臺(tái)的仿真工具，適用于模擬與數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)與仿真工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真和分析能力。 利用Multisim可以很好的解決理論與實(shí)踐相脫節(jié)的問(wèn)題,利用Multisim軟件能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。 Multisim軟件的特點(diǎn)：a.具有直觀的圖形界面b.具有豐富的元器件c.擁有強(qiáng)大的仿真能力d.擁有豐富的測(cè)試儀器e.擁有完備的分析手段等[6]。 1.

22、4 課題的研究任務(wù)和內(nèi)容 （1）小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)包括載波振蕩電路、低頻單音振蕩電路（電報(bào)功能）、音頻放大電路、振幅調(diào)制電路、帶通濾波電路、緩沖放大電路和丙類(lèi)功率放大電路的設(shè)計(jì)； （2）除振幅調(diào)制電路采用集成乘法器外，其余電路均采用分立元件設(shè)計(jì)；要求應(yīng)用電路仿真軟件設(shè)計(jì)，并通過(guò)仿真調(diào)試優(yōu)化電路。 （3）設(shè)計(jì)指標(biāo)： 載波頻率：fc=3.579MHz（或6MHz），頻穩(wěn)度≤10exp(-4)；低頻單音振蕩頻率：F=1000Hz； 單音調(diào)制調(diào)幅度：Ma≥0.8，音頻調(diào)制平均調(diào)幅度Ma=0.4； 無(wú)源帶通濾波電路中心頻率為載波頻率，3dB帶寬為9KHz， 丙類(lèi)功率放大電路的等效天線(xiàn)負(fù)載阻抗：

23、RL=75Ω；發(fā)射功率：Po≥1W；效率：ηc≥60％以上。 電源電壓：Vcc=+12V. 2 方案設(shè)計(jì)與單元電路形式選擇 簡(jiǎn)易的調(diào)幅發(fā)射機(jī)就是利用模擬乘法器將話(huà)筒輸入的音頻信號(hào)加入到主振級(jí)產(chǎn)生的高頻載波信號(hào)中，再經(jīng)過(guò)諧振功率放大器的作用，將已調(diào)信號(hào)進(jìn)行功率放大，最后由天線(xiàn)輻射到空間進(jìn)行傳播。 2.1 對(duì)發(fā)射機(jī)的總體方案設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，要求工作頻率為6MHz，輸出功率為1W。由于輸出功率小，因此總體電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小的特點(diǎn)。其總體電路結(jié)構(gòu)可分為載波振蕩電路；單音振蕩電路（電報(bào)

24、功能）；音頻放大電路；振幅調(diào)制電路；帶通濾波電路；緩沖放大電路等。 2.2 單元電路形式選擇 1.本機(jī)振蕩電路 振蕩電路選擇要根據(jù)載波頻率的高低和頻率穩(wěn)定度來(lái)確定，在頻率穩(wěn)定度要求不是很高的情況下，可以采用電容反饋式振蕩電路，如克拉潑電路，希勒電路等。在頻穩(wěn)度要求較高的情況下，一般可以選用晶體振蕩電路，也可以選用單片集成電路。本機(jī)設(shè)計(jì)要求頻穩(wěn)度要達(dá)到10exp(-4)，一般的lc振蕩電路頻穩(wěn)度約為10-2~10-3，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此由于本機(jī)頻穩(wěn)度要求較高，可以采用晶振作為主震級(jí)振蕩器，從而可以達(dá)到較高的頻率穩(wěn)定度[1][2][5]。 2. 高頻電壓放大器 高頻電壓放大器的主要作

25、用是將振蕩電路產(chǎn)生的震蕩電壓放大到一定程度后送到振幅調(diào)制器，可以選用高頻諧振放大器。具體需要幾級(jí)放大器需要看振幅調(diào)制器所選用的電路類(lèi)型。當(dāng)選用集成模擬乘法器作為振幅調(diào)制器時(shí)，由于輸入信號(hào)要求為小信號(hào)，因此當(dāng)輸出電壓能夠滿(mǎn)足要求是，可以考慮不用外加高頻電壓放大器。但如果采用集電極調(diào)幅電路，就要另加一至二級(jí)高頻電壓放大器，用來(lái)滿(mǎn)足集電極調(diào)幅電路的大信號(hào)輸入。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本機(jī)調(diào)幅器采用模擬乘法器MC1496進(jìn)行調(diào)幅[4]。 3.振幅調(diào)制電路 振幅調(diào)制器的任務(wù)是將所需傳送的信息“加載”到高頻震蕩電壓中，從而以調(diào)幅波的形式將已調(diào)信號(hào)發(fā)射出去。通常調(diào)制分為低電平調(diào)制和高電平調(diào)制，采用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)調(diào)制

26、的方法是屬于低電平調(diào)制，低電平調(diào)幅電路具有輸出功率小的特點(diǎn)，適用于功率較低的系統(tǒng)。模擬乘法器的出現(xiàn)，使高質(zhì)量的調(diào)幅信號(hào)的產(chǎn)生變得很簡(jiǎn)單，而且成本也很低，因此本機(jī)采用模擬乘法器MC1496構(gòu)成調(diào)幅電路[6]。 4.功率激勵(lì)級(jí) 由模擬乘法器調(diào)制電路輸出的已調(diào)信號(hào)較小，不能滿(mǎn)足末級(jí)功放的輸入要求，因此，要在模擬乘法器后邊加上功率激勵(lì)級(jí)來(lái)放大已調(diào)調(diào)制的信號(hào)功率，從而滿(mǎn)足后級(jí)電路的輸入要求[7]。 5. 功率放大級(jí) 功率放大器是調(diào)幅發(fā)射機(jī)的最末級(jí)，它的主要任務(wù)就是要發(fā)射出發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)所要求的輸出功率。本機(jī)所設(shè)計(jì)的為小功率調(diào)幅發(fā)射系統(tǒng)，通常采用丙類(lèi)諧振功率放大器，如果一級(jí)放大器不能滿(mǎn)足要求，可以

27、選用兩級(jí)或者三級(jí)[2]。 6.傳輸線(xiàn)與天線(xiàn) 天線(xiàn)的主要作用是把已調(diào)制的高頻信號(hào)變成電磁波，輻射到空間去，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電的發(fā)射功能[6]。 由于無(wú)線(xiàn)設(shè)備本身的傳播距離的限制，因此，若想達(dá)到比較理想的傳播距離，必須外接天線(xiàn)[6]。這里面就必須涉及到兩個(gè)概念： （1） 頻率范圍 頻率范圍指的是天線(xiàn)的工作頻段，這個(gè)參數(shù)決定了它適用于哪個(gè)無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)設(shè)備[6]。 （2） 增益值 增益值表示天線(xiàn)的功率放大倍數(shù)，增益值越大代表對(duì)輸入信號(hào)的放大倍數(shù)越大，傳輸質(zhì)量也就越好[6]。 3 單元電路的設(shè)計(jì)與仿真 發(fā)射機(jī)的主要任務(wù)是要完成有用的低頻信號(hào)對(duì)高頻載波的調(diào)

28、制，將其變?yōu)樵谀骋恢行念l率上具有一定帶寬，適合通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射的電磁波[2]。 發(fā)射機(jī)一般分為三個(gè)部分：高頻部分，低頻部分和電源部分[3]。 高頻部分一般包括：主振蕩級(jí)，緩沖放大級(jí)，中間放大級(jí)，功率推動(dòng)級(jí)以及末級(jí)功放級(jí)。 低頻部分一般包括話(huà)筒，低頻電壓放大級(jí)，低頻功率放大級(jí)和末級(jí)低頻功率放大級(jí)。低頻信號(hào)通過(guò)各級(jí)放大級(jí)的層層放大，最終在末級(jí)功放處獲得所需的功率電平，從而可以對(duì)高頻功率放大器進(jìn)行調(diào)制。 采用典型的調(diào)幅發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)方案即可達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，發(fā)射機(jī)的主要單元電路見(jiàn)下圖（圖3-1）： 主振器 緩沖器 音頻放大 高頻功放 振幅調(diào)制 放大級(jí) 話(huà)筒 圖3

29、-1 發(fā)射機(jī)的主要單元電路 圖中各部分主要作用為： 主震級(jí)：有晶體振蕩器產(chǎn)生頻率為6MHz的震蕩載波信號(hào)。 緩沖級(jí)：將晶體震蕩級(jí)與振幅調(diào)制級(jí)隔離，減少振幅調(diào)制級(jí)對(duì)晶體震蕩器的干擾。 音頻放大：將話(huà)筒發(fā)出的信號(hào)放大到調(diào)制電路所需要的調(diào)制電壓。 振幅調(diào)制級(jí)：將音頻信號(hào)加入到高頻載波中，從而產(chǎn)生調(diào)幅波。 高頻功放：對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，加入到天線(xiàn)中，從而向空間輻射。 3.1 主振級(jí)與小信號(hào)電壓放大級(jí)的設(shè)計(jì) 主震級(jí)是調(diào)幅發(fā)射機(jī)的核心部件，其性能的好壞直接影響到發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量，因此，主震級(jí)產(chǎn)生的載波信號(hào)必須有較高的頻率穩(wěn)定度和較小的波形失真度，本機(jī)主振級(jí)備選方案可以有三種， RC

30、正弦波振蕩器，石英晶體振蕩器，三點(diǎn)式LC正弦波振蕩器等。 方案一：采用石英晶體振蕩器，石英晶體振蕩器具有較高的頻率穩(wěn)定度，在選擇合適的偏置電路的情況下，頻穩(wěn)度可達(dá)到10-11數(shù)量級(jí)，而且，其工作狀態(tài)穩(wěn)定，波形失真度也比較小，因此，在頻穩(wěn)度要求較高的電路中，可以選用石英晶體振蕩器作為主振級(jí)。 方案二：采用RC正弦波振蕩器，由于RC振蕩器主要是由電阻和電容組成的，在電路中并沒(méi)有諧振回路，因此，RC振蕩器不適合于作為高頻振蕩器。 方案三：采用LC三點(diǎn)式正弦波振蕩電路，三點(diǎn)式振蕩電路有電容三點(diǎn)式和電感三點(diǎn)式之分，相對(duì)來(lái)說(shuō)，電容三點(diǎn)式的輸出波形相對(duì)電感三點(diǎn)式要穩(wěn)定，且頻率變化不會(huì)改變電抗的性質(zhì)，因

31、此振蕩器一般都采用電容三點(diǎn)式形式。在頻率穩(wěn)定度要求不是很高的情況下，可以采用普通的電容三點(diǎn)式振蕩電路，如克拉潑電路和西勒電路。LC回路由于受到標(biāo)準(zhǔn)性和品質(zhì)因數(shù)的限制，其頻穩(wěn)度一般只能達(dá)到10-4數(shù)量級(jí)。 為使整機(jī)電路簡(jiǎn)單并且頻穩(wěn)度度較高，本機(jī)采用石英晶體振蕩器。 石英是一種各向異性的結(jié)晶體，其化學(xué)成分是二氧化硅。石英晶片所以能做成諧振器，是基于他具有壓電效應(yīng)的原理。晶片的固有機(jī)械震動(dòng)頻率又稱(chēng)為諧振頻率，其值與晶片的幾何尺寸有關(guān)，具有很高的穩(wěn)定性[19]。 圖3-1-1 主振級(jí)單元電路 石英晶體振蕩器是利用石英晶體諧振器作為濾波元件構(gòu)成的振蕩器，其振蕩頻率由石英晶體諧振器決定。與LC諧振

32、回路相比，石英晶體諧振器具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性和極高的品質(zhì)因數(shù)，因此石英晶體振蕩器具有較高的頻率穩(wěn)定度，采用高精度和頻穩(wěn)措施后，石英晶體振蕩器可以達(dá)到10-4-10-9的頻率穩(wěn)定度。 根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求晶體振蕩電路如下所示，晶振，C1，C2，C3與T1構(gòu)成改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路，振蕩頻率由晶振的等效電容和等效電感決定。電路中的T1靜態(tài)工作點(diǎn)由R1R2和R3決定，在設(shè)計(jì)靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，應(yīng)首先決定集電極電流Icq，一般都取0.5mA~4mA，Icq過(guò)大會(huì)引起波形失真，有時(shí)還伴隨產(chǎn)生高次諧波[6]。設(shè)晶體管β=60，Icq=2mA，，由三極管的回路計(jì)算方法可推算出R1=150kΩ，R2=100Ω，R3=

33、3kΩ。晶體震蕩級(jí)與小信號(hào)放大級(jí)聯(lián)合電路圖如圖（圖3-1-1）所示[3]： 此電路中主震級(jí)工作在較低的6MHz的頻率上，一般晶體振蕩器都能達(dá)到要求，且具有一定的輸出電壓，而且頻率穩(wěn)定度較高，無(wú)需進(jìn)行倍頻[3]。 頻率輸出需要通過(guò)C1微調(diào)，使震蕩頻率穩(wěn)定在6MHz。R1 、R2和RP0構(gòu)成分壓式偏置電路，C2和C3的串接電容直接并接在晶體兩端，為晶體的負(fù)載電容。主震級(jí)的模擬仿真結(jié)果如下（圖3-1-2和圖3-1-3）所示， 圖3-1-2 晶振產(chǎn)生的載波頻率 圖3-1-3 晶體振蕩器輸出波形 由晶振產(chǎn)生的信號(hào)由于振幅較小，因此需要加入小信號(hào)放大器，從而提高震蕩級(jí)的輸出振幅，T1

34、構(gòu)成小信號(hào)電壓放大器，由RP0控制輸出電壓的振幅。高頻電壓放大器的任務(wù)是將振蕩電壓放大以后送到振幅調(diào)制器，可以選用高頻調(diào)諧放大器。需要使用幾級(jí)放大器要看振幅調(diào)制器選擇什么樣的電路型式。如果選用集成模擬乘法器作振幅調(diào)制器，輸入信號(hào)是小信號(hào)。當(dāng)振蕩器輸出電壓能夠滿(mǎn)足要求時(shí)，可以不加高頻電壓放大器。如果采用集電極調(diào)幅電路，就要使用一至二級(jí)高頻電壓放大器，以滿(mǎn)足集電極調(diào)幅的大信號(hào)輸入。諧振放大器的調(diào)試方法與阻容耦合放大器相同，首先應(yīng)調(diào)整每一級(jí)所需的直流工作點(diǎn)，但要注意一點(diǎn)：在多級(jí)諧振放大器中，由于增益高，容易引起自激振蕩。因此，在測(cè)試其直流工作點(diǎn)時(shí)，應(yīng)先用示波器觀察一下放大器的輸出端是否有自激振蕩波形

35、。如果已經(jīng)有自激振蕩，應(yīng)先設(shè)法排除它，然后再測(cè)試其直流工作點(diǎn)。否則，所測(cè)數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的。對(duì)于調(diào)諧放大器的頻率特性、增益及動(dòng)態(tài)范圍的調(diào)整及測(cè)試，一般有兩種方法，一種是逐點(diǎn)法；一種是掃頻法。后者比較簡(jiǎn)單、直觀。但由于其頻標(biāo)較粗，對(duì)于窄帶調(diào)諧放大器難以精確測(cè)試[6]。 經(jīng)過(guò)小信號(hào)放大后輸出波形(圖3-1-4）如下[5]： 圖3-1-4 經(jīng)小信號(hào)放大器后輸出載波 圖3-1-4 經(jīng)過(guò)小信號(hào)放大后輸出波形 與未加入放大器時(shí)相比，波形和頻率都沒(méi)有變化，指示振幅（電壓）有所增加。 3.2 緩沖隔離級(jí)的設(shè)計(jì) 為了減小調(diào)制級(jí)對(duì)主震級(jí)的影響，需要采用加入緩沖

36、級(jí)的方法。在緩沖隔離級(jí)的選擇上不論是在低頻電路還是高頻電路的整機(jī)設(shè)計(jì)中，緩沖隔離級(jí)常采用射極跟隨器電路[1]。調(diào)節(jié)射極電阻Rp1，可以改變射極跟隨器輸入阻抗。如果忽略晶體管基極體電阻rbb的影響，則射極輸出器的輸入電阻Ri為Ri=RB//βRL ，式中，RL=(R6+Rp1)//Rp2,RB=R4//R5，輸出電阻Ro為 Ro=(R6+Rp1)//r0 。式中，r0很小，所以可將射極輸出器的輸出電路等效為一個(gè)恒壓源[3]。緩沖隔離級(jí)單元電路圖（圖3-2-1）如右： 電壓放大倍數(shù)AV為 圖3-2-1 緩沖隔離級(jí)單元電路 式中，gm——晶體管的跨導(dǎo)，一般情況下 。

37、所以圖示射極輸出器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低、電壓放大倍數(shù)近似等于1的特點(diǎn)。晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)位于交流負(fù)載線(xiàn)的中點(diǎn)，一般取 ，ICQ=3～10mA. 對(duì)于圖示電路，取VCEQ=6V，ICQ=4mA，若晶體管電流放大倍數(shù)β=60，則R6+Rp1=VEQ/ICQ=1. 5kΩ，取R6=1kΩ的電阻，Rp1=1kΩ的電位器。IRB≈10IBQ，， 估算功率激勵(lì)級(jí)的輸入阻抗為335Ω，即射隨器的負(fù)載電阻Rp2=335Ω，并可計(jì)算出射隨器的輸入電阻Ri，即 KΩ 輸入電壓Vi為

38、 為減小射隨器對(duì)前級(jí)振蕩器的影響，耦合電容C1不能太大，一般為數(shù)十皮法。C2為0.022μF左右。 3.3 語(yǔ)音放大級(jí)電路設(shè)計(jì) 圖3-3-1 語(yǔ)音放大級(jí)電路 語(yǔ)音放大器主要是對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行放大和限頻，經(jīng)過(guò)放大后的語(yǔ)音信號(hào)送入調(diào)制級(jí)對(duì)高頻載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，本機(jī)采用LM386進(jìn)行語(yǔ)音功率放大。電源由6腳引入，4腳接地，8腳與地之間接有源濾波退耦電容C7。信號(hào)由3腳引入，經(jīng)放大后由1腳經(jīng)輸出電容C8送到受調(diào)放大級(jí)。3腳到地之間接入C6和RP4組成負(fù)反饋電路，決定放大倍數(shù)的大小。RP4越小，電路增益越高；反之，增益越小[9]。語(yǔ)音放大級(jí)單元電路圖（圖3-3-1）如右: 音頻放大器輸出波

39、形模擬圖（圖3-3-2）如下[5]： 圖3-3-2 音頻放大器輸出波形模擬圖 3.4 幅度調(diào)制電路的設(shè)計(jì) 所謂振幅調(diào)制就是用被傳輸?shù)牡皖l信號(hào)去控制高頻振蕩器，使其輸出信號(hào)的幅度隨著低頻信號(hào)的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)低頻信號(hào)搬移到高頻段，被高頻信號(hào)攜帶并有效進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪康?。完成這種調(diào)制過(guò)程的裝置稱(chēng)為振幅調(diào)制器。 振幅調(diào)制（AM）就是用低頻信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）去控制高頻載波的振幅，使載波的振幅隨調(diào)制信號(hào)成正比變化。調(diào)制過(guò)程如圖所示： （a）調(diào)制信號(hào)波形 （b）載波信號(hào)波形 （c）Ma＜1時(shí)的已調(diào)波形 （e）Ma＞1時(shí)的已調(diào)波波形 （

40、d）Ma=1時(shí)的已調(diào)波波形 圖3-4-1 調(diào)幅波調(diào)制過(guò)程 (1) 普通調(diào)幅信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式 為了突出基本概念，簡(jiǎn)化分析，假設(shè)調(diào)制信號(hào)為單頻等幅余弦波，即 （3-4-1） 設(shè)載波電壓為 （3-4-2） 通常載波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)制頻率，即滿(mǎn)足，根據(jù)調(diào)幅的定義可直接寫(xiě)出調(diào)幅波的表示式 （3-4-3） （2）調(diào)幅度的定義 調(diào)幅度（又稱(chēng)調(diào)制度或調(diào)制指數(shù)）反映了調(diào)制信號(hào)對(duì)高頻載波幅度的控制能力，它是與載波振幅之比，即 （3-4-4） 圖3-4

41、-2 普通調(diào)幅波波形 Umax Umin B A 式中，為比例常數(shù)。但在實(shí)際測(cè)量中并不利用此公示計(jì)算，一般采用波形測(cè)量的方法，如右圖（圖3-4-2）所示，是包絡(luò)函數(shù)，它反映了調(diào)幅信號(hào)包絡(luò)線(xiàn)的變化。因此，在調(diào)制信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)調(diào)幅信號(hào)的最大振幅為，最小振幅為，由此可得調(diào)幅度， （3-4-5） 由上式可得調(diào)幅度還可以表示為 （3-4-6） 式中，；。 為了使調(diào)幅波不失真，即高頻振幅能真實(shí)的反映調(diào)制信號(hào)，應(yīng)小于或者等于1.如果，則產(chǎn)生過(guò)調(diào)制，如上邊（e）圖所示，實(shí)際中應(yīng)該避免產(chǎn)生過(guò)調(diào)幅。 圖3-4-

42、3 調(diào)幅電路 根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求以及為了最大程度的減小各極間的干擾，本機(jī)采用模擬乘法器作為調(diào)幅電路，模擬乘法器的出現(xiàn)，使高質(zhì)量的調(diào)幅信號(hào)的產(chǎn)生變得很簡(jiǎn)單，而且成本也很低。幅度調(diào)制單元電路圖（圖3-4-3）如右： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求的工作電壓以及模擬乘法器的工作特性設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)。乘法器的靜態(tài)偏置電流主要由內(nèi)部恒流源Io的值來(lái)確定,Io是第5引腳上的電流I5的鏡像電流，改變電阻R25可調(diào)節(jié)Io的大小。 在設(shè)置乘法器各點(diǎn)的靜態(tài)偏置電壓時(shí)，應(yīng)使乘法器內(nèi)部的三極管均工作在放大狀態(tài)，并盡量使靜態(tài)工作點(diǎn)處于直流負(fù)載線(xiàn)的中點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于圖所示電路，應(yīng)使內(nèi)部電路中三極管的Vce=4V~6V，即V6-V8=V12-

43、V10=4V~6V，V8-V4=V10-V1=4V~6V，V2-（-Vee）=V3-（Vee）=4V~6V。為了使輸出上，下調(diào)制對(duì)稱(chēng)，在設(shè)計(jì)外部電路時(shí)，還應(yīng)使V12=V6，V8=V10，而且12腳及6腳所接的負(fù)載電阻應(yīng)相等，即R28=R29，調(diào)制輸出信息波形（圖3-4-4）如下[8]： 圖3-4-4 調(diào)制信號(hào) 3.5 高頻諧振功率放大器的設(shè)計(jì) 3.5.1諧振功率放大器的設(shè)計(jì)原理 高頻功率放大器是各種無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)的重要組成部分，其工作頻率較高，相對(duì)寬帶也比較窄，一般都采用LC諧振網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載構(gòu)成諧振功率放大器。由于諧振網(wǎng)絡(luò)頻率調(diào)節(jié)困難，因此諧振功率放大器主要用來(lái)放大固定

44、頻率或窄帶信號(hào)，所以諧振功率放大器也稱(chēng)為窄帶高頻功率放大器[15]。 高頻功率放大器一般多用于發(fā)射機(jī)的末級(jí)電路，其電流消耗往往要占到整機(jī)耗電量的絕大部分，所以功率放大器工作狀態(tài)的優(yōu)劣以及工作效率的高低就相當(dāng)重要。為了提高效率，諧振功率放大器通常工作在丙類(lèi)。 1. 諧振功率放大器的工作原理 （1） 電路組成 圖3-5-1 晶體管高頻功率放大器原理圖 諧振功率放大器的原理如圖所示，除電源和偏置電路外，它由晶體管，諧振回路和輸入回路三部分組成。高頻功放中常采用平面工藝制作的NPN高頻大功率晶體管，他能承受高電壓和大電流，并有較高的特征頻率ft。晶體管作為一個(gè)電流控制器件，它在較小的激勵(lì)信

45、號(hào)電壓作用下，形成基極電流，控制了較大的集電極電流，流過(guò)諧振回路產(chǎn)生高頻功率輸出，從而完成了把電源的直流功率轉(zhuǎn)換為高頻功率的任務(wù)。如前所述，為了使高頻功放以高效率輸出大功率，常選在丙類(lèi)狀態(tài)下工作，為了保證在丙類(lèi)工作，基極偏置電壓應(yīng)使晶體管工作在截止區(qū)，一般為負(fù)值，即靜態(tài)時(shí)發(fā)射結(jié)為反偏。此時(shí)輸入激勵(lì)信號(hào)應(yīng)為大信號(hào)，一般在0.5V以上，可達(dá)到1~2V,，甚至更大。也就是說(shuō)，晶體管工作在截至和導(dǎo)通（線(xiàn)性放大）兩種狀態(tài)下，基極電流和集電極電流均為高頻脈沖信號(hào)。與低頻功放不同的是，高頻功放選用諧振回路作負(fù)載，即保證輸出電壓相對(duì)于輸入電壓不失真，還具有阻抗變換的作用，這是因?yàn)榧姌O電流是周期性的高頻脈沖其

46、頻率分量除了有用分量（基波分量）外，還有諧波分量和其他頻率成分，用諧振回路選出有用分量，將其他（a） 無(wú)用分量濾除；通過(guò)諧振回路阻抗的調(diào)節(jié)，從而使諧振回路呈現(xiàn)高頻功放所要求的最佳負(fù)載阻抗值，即匹配，使高頻功放以高效率輸出大功率[17]。 （2）電壓電流波形 當(dāng)基極輸入一余弦高頻信號(hào)后，晶體管基極和發(fā)射級(jí)之間的電壓為 （b） （c） 其波形如圖（a）所示。當(dāng)?shù)乃矔r(shí)值大于基極和發(fā)射極之間的導(dǎo)通電壓時(shí)，晶體管導(dǎo)通，產(chǎn)生基極脈沖電流，如圖（b）所示?；鶚O導(dǎo)通后，晶體管便由截止區(qū)進(jìn)入放大區(qū)，集電極將流過(guò)電流，與基極電流相對(duì)應(yīng)，也是脈沖形狀，如圖（c）所示。將用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，得 式中，

47、為集電極電流直流分量，分別為集電極電流的基波，二次諧波及高次諧波分量的振幅。 （d） 圖3-5-2 電流電壓波形（a）（b）（c）（d） 當(dāng)集電極回路調(diào)諧在輸入信號(hào)頻率ω上，即與高頻輸入信號(hào)的基波諧振時(shí)，諧振回路對(duì)基波電流而言等效為一純電阻。對(duì)其他各次諧波而言，回路失諧而呈現(xiàn)很小的電抗并可看成短路。直流分量只能通過(guò)回路電感線(xiàn)圈支路，其直流電阻較小，對(duì)直流也可看成短路。這樣，脈沖形狀的集電極電流，或者說(shuō)包含有直流，基波和高次諧波成分的電流流經(jīng)諧振回路時(shí)，只有基波電流才產(chǎn)生壓降，因而LC諧振回路兩端輸出不失真的高頻信號(hào)電壓。若回路諧振電阻為Re，則 （3-5-1）

48、 式中，為基波電壓振幅。所以，晶體管集電極和發(fā)射極之間的電壓為 （3-5-2） 其波形如圖（d）所示。 可見(jiàn)，利用諧振回路的選頻作用，可以將失真的集電極脈沖變換為不失真的余弦電壓輸出。同時(shí)，諧振回路還可以將含有電抗分量的外接負(fù)載變換為純電阻Re。通過(guò)調(diào)節(jié)L,C使并聯(lián)回路諧振電阻Re與晶體管所需集電極負(fù)載值相等，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。因此，在諧振功率放大器中，諧振回路除了起濾波作用外，還起到阻抗匹配的作用[23]。 （3） 輸出功率與效率 由于輸出回路調(diào)諧在基波頻率上，輸出電路中的高次諧波處于失諧狀態(tài)，相應(yīng)的輸出電壓很小，因此，在諧振功率放大器中只需研究直流及基波

49、功率。放大器的輸出功率Po等于集電極電流基波分量在負(fù)載Re上的平均功率，即 （3-5-3） 集電極直流電源供給功率PD等于集電極電流直流分量Ico與Vcc的乘積，即 （3-5-4） 集電極耗散功率Pc等于集電極直流電源供給功率PD與基波輸出功率Po之差，即 （3-5-5） 放大器集電極效率等于輸出功率Po與基波供給功率PD之差，即 （3-5-6） 丙類(lèi)工作狀態(tài)的諧振功率放大器的效率很高，當(dāng)電流導(dǎo)通角時(shí)，效率可達(dá)9

50、0%，隨著的減小，效率還會(huì)進(jìn)一步提高。但是也不能過(guò)小，因?yàn)榇藭r(shí)為了達(dá)到一定的輸出功率，所要求的輸入激勵(lì)信號(hào)電壓的幅值將會(huì)過(guò)大，從而對(duì)前級(jí)提出過(guò)高的要求。所以，諧振功率放大器一般取為70度左右[24]。 2諧振功率放大器的性能特點(diǎn) （1） 諧振功率放大器的工作狀態(tài) 圖3-5-3 放大器的工作狀態(tài) 在丙類(lèi)諧振功率放大器中，根據(jù)晶體管工作是否進(jìn)入飽和區(qū)，可將其分為欠壓臨界和過(guò)壓工作狀態(tài)。將不進(jìn)入飽和區(qū)的工作狀態(tài)稱(chēng)為欠壓，其集電極電流脈沖形狀如圖中曲線(xiàn)①所示，為頂尖余弦脈沖。將進(jìn)入飽和區(qū)的工作狀態(tài)稱(chēng)為過(guò)壓狀態(tài)，其集電極脈沖形狀如圖中曲線(xiàn)③所示，為中間凹陷的余弦脈沖。如果晶體管工作剛好不進(jìn)入飽和

51、區(qū)，則稱(chēng)為臨界工作狀態(tài)，其集電極電流脈沖形狀如圖中曲線(xiàn)②所示，雖然仍為尖頂余弦脈沖，但頂端變化平緩。在諧振功率放大器中，雖然三種狀態(tài)下集電極電流都是脈沖波形，由于諧振回路的濾波作用，放大器的輸出電壓仍為沒(méi)有失真的余弦波形[25]。 l 欠壓狀態(tài) 根據(jù)丙類(lèi)諧振功率放大器的工作原理可知，基極電壓最大值與集電極電壓最小值出現(xiàn)在同一時(shí)刻，所以只要當(dāng)比較大（大于），晶體管工作就不會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)而工作在欠壓狀態(tài)。由于，可見(jiàn)輸出電壓的幅值越小，就越大，晶體管工作就不會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)。 l 臨界狀態(tài) 增大，就會(huì)減少，可使放大器在時(shí)工作在放大區(qū)和飽和區(qū)之間的臨界點(diǎn)上，晶體管工作在放大區(qū)和截止區(qū)，所以集電極電流

52、仍為尖頂余弦脈沖。 l 過(guò)壓狀態(tài) 由于諧振功率放大器的負(fù)載是諧振回路，有可能產(chǎn)生較大的（例如諧振回路Q(chēng)值比較大），很?。ㄐ∮冢?，致使晶體管在附近因很小而進(jìn)入飽和區(qū)。因?yàn)樵陲柡蛥^(qū)晶體管集電結(jié)被加上正向電壓，的增加對(duì)的影想很小，而卻隨的下降迅速減小，所以使得集電極電流脈沖頂部產(chǎn)生下凹現(xiàn)象。越大，越小，脈沖凹陷越深，脈沖的高度越小。 （2） 負(fù)載特性 當(dāng)放大器中直流電源帶電壓，及輸入電壓振幅維持不變時(shí)，放大器的電流、電壓、功率與效率等隨諧振回路諧振電阻Re變化的特征，稱(chēng)為放大器的負(fù)載特征。負(fù)載特性是高頻功率放大器的重要特性之一。根據(jù)諧振功率放大器工作狀態(tài)的分析可知，當(dāng)及不變，負(fù)載Re變化時(shí)，

53、就會(huì)引起放大器輸出電壓的變化，從而使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生變化。 下圖（圖3-5-4）是諧振功率放大器的負(fù)載特性曲線(xiàn)。 （b）功率、效率變化曲線(xiàn) （a）電流、電壓變化曲線(xiàn) 圖3-5-4 諧振功率放大器負(fù)載特性 由圖中的負(fù)載特性可以看出高頻功放各種狀態(tài)的特點(diǎn)：臨界狀態(tài)輸出功率最大，效率也較高，通常應(yīng)選擇在此狀態(tài)工作。過(guò)壓狀態(tài)的特點(diǎn)是效率高，損耗小，并且輸出電壓受負(fù)載電阻RL的影像較小，近似為交流恒壓源特性，但由于效率低，并且集電極損耗大，一般不選擇在此狀態(tài)工作。在實(shí)際調(diào)整中，高頻功放可能會(huì)經(jīng)歷上述各種狀態(tài)，利用負(fù)載特性就可以正確判斷各種狀態(tài)，已進(jìn)行正確

54、的調(diào)整。 3.5.2 諧振功率放大器的設(shè)計(jì)過(guò)程 1.電路的基本原理[1] 高頻功率放大器是一種能量轉(zhuǎn)換器件，它的主要作用是將電源的直流轉(zhuǎn)換成高頻交流輸出，通信線(xiàn)路中應(yīng)用的高頻功率放大器，按其工作頻帶的寬窄可以分為窄帶和寬帶。由于高頻功率放大器的工作頻率高，相對(duì)頻帶又比較窄，所以工作時(shí)一般采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。 一般把集電極電流導(dǎo)通時(shí)間相對(duì)應(yīng)的角度的一半稱(chēng)為集電極電流的導(dǎo)通角，當(dāng)導(dǎo)通角等于180表示管子在整個(gè)工作周期內(nèi)全部導(dǎo)通，稱(chēng)為放大器工作在甲類(lèi)狀態(tài)，當(dāng)導(dǎo)通角等于90表示放大器在工作期間的半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，稱(chēng)為放大器工作在乙類(lèi)，當(dāng)其導(dǎo)通角小于90表示管子的導(dǎo)通時(shí)間小于半個(gè)周期，稱(chēng)為

55、放大器工作在丙類(lèi)狀態(tài)。 2電路原理圖： 丙類(lèi)高頻功率放大器可工作在欠壓狀態(tài)、過(guò)壓狀態(tài)和臨界狀態(tài)。因?yàn)榍穳籂顟B(tài)的工作效率較低，而過(guò)壓狀態(tài)的又會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的失真，所以一般選用讓其工作在臨界狀態(tài)。在晶體管功率放大器中，一般可以通過(guò)改變激勵(lì)電壓、基極偏壓、集電極負(fù)載、集電極直流供電電壓來(lái)改變放大器的工作狀態(tài)。 由于輸出功率要求Po≥1W，因此功放可采用甲類(lèi)或者丙類(lèi)功率放大器，但由于總效率要求η≥50%，顯然，只采用一級(jí)甲類(lèi)功放是達(dá)不到要求的，故采用兩級(jí)功放電路，第一級(jí)采用甲類(lèi)功率放大器作為激勵(lì)級(jí)，第二級(jí)采用丙類(lèi)功率放大器，其中甲類(lèi)功放選用的晶體管為3DG12，丙類(lèi)功放選擇的晶體管為3DA1。

56、 其參數(shù)的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)為： 圖3-5-5 高頻功率放大器電路圖 功放的基極偏置電壓-UBE是利用發(fā)射極電流的直流分量IEO在射級(jí)電阻RE2上產(chǎn)生的壓降來(lái)提供的，故將其稱(chēng)為自給偏壓電路。當(dāng)放大器的輸入信號(hào)Ui為正弦波時(shí)，則在集電極輸出波形為電流為Ic的余弦脈沖波。利用諧振回路的選頻作用可使輸出基波諧振電壓為UC1，電流為IC1. 當(dāng)功率放大器的電源電壓為+Ucc，基極偏置電壓Ub，輸入電壓（或激勵(lì)電壓）Ubm確定后，如果電流導(dǎo)通角θ選定，則放大器的工作狀態(tài)就只取決于集電極回路的等效負(fù)載電阻Rq。 當(dāng)交流負(fù)載線(xiàn)正好穿過(guò)靜態(tài)特征曲線(xiàn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)A時(shí)，管子的集電極電壓正好等于管子的飽和管壓降U

57、CES，集電極電流脈沖接近最大值Icm。 整個(gè)電路的原理圖（圖3-5-5）見(jiàn)右： 3功率放大器的設(shè)計(jì)過(guò)程 （1）所需器件: 3DG12(主要參數(shù)：PCM=700mw，ICM=300mA，UCES≤0.6V，hfe≥30，ft≥150MHz，Ap≥6dB） 3DA1（主要參數(shù)：PCM=1w，ICM=750mA，UCES≥1.5V，hfe≥10，ft≥70MHz，Ap≥13dB） 鎳鋅鐵氧磁環(huán)（NX-100）若干(規(guī)格：φ10mmφ6mmφ5mm) 電源（+Ucc=12V） 漆包線(xiàn)（Φ0.31mm） 電阻若干 電容若干 （2）丙類(lèi)諧振功率放大器的設(shè)計(jì) （A）確定放大器的工作

58、狀態(tài) 為獲得較高的效率η和最大的輸出功率Pe，功放的工作狀態(tài)應(yīng)選為臨界狀態(tài)，取θ=70度，可得此時(shí)集電極的等效負(fù)載電阻 其中Vcc=12V，Vces=1.5V，Pc=Po=1W。 集電極基波電流振幅為 集電極電流脈沖的最大值 直流分量為 電源供給的直流功率為 集電極的耗散功率為 集電極的效率

59、 若設(shè)末級(jí)功率增益Ap=13dB（20倍），則輸入功率 基極余弦脈沖電流的最大值（設(shè)晶體管3DA1的β=10） 基極基波電流的振幅 輸出電壓的振幅 （B）計(jì)算諧振回路及耦合回路的參數(shù) 丙類(lèi)功放的輸入輸出耦合回路均為高頻變壓器耦合方式，其輸出阻抗Zi可計(jì)算如下： 輸出變壓器線(xiàn)圈匝數(shù)比為 取N3=7，N1=8。 若

60、取集電極并聯(lián)諧振回路的電容C=100pF，得回路電感為 若采用10*6*5的鐵氧體來(lái)繞制輸出耦合變壓器，則可計(jì)算出總線(xiàn)圈的匝數(shù)為N2，即 則N2=8 （C）基極偏置電路參數(shù)計(jì)算 基極直流偏置電壓 射級(jí)電阻 取高頻旁路電容為CE2=0.01uf。 （3）寬帶功率放大器(激勵(lì)級(jí)）設(shè)計(jì) （A）計(jì)算電路參數(shù) 寬帶功率放大器的輸出功率應(yīng)等于下級(jí)的丙類(lèi)功率放大器的輸入功率，并且其輸出負(fù)載應(yīng)等于丙類(lèi)功放的輸入阻抗。 設(shè)高頻變壓器的

61、效率為η=0.8.則功放集電極的輸出功率為 取功放的靜態(tài)電流Icq=Icm=7mA 則集電極電壓的振幅Vcm及等效負(fù)載電阻Rh’分別為 射級(jí)直流負(fù)反饋電阻 高頻變壓器匝數(shù)比為 取次級(jí)匝數(shù)N2’=2，則初級(jí)匝數(shù)N1’=6. 激勵(lì)級(jí)功放采用3DG12晶體管，設(shè)β=30，取功率增益為Ap=13dB（20倍）， 則輸出功率為 功放的輸入阻抗為

62、 取負(fù)反饋電阻R3=10Ω 則本級(jí)輸入電壓的振幅為 （B）計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn) 由上述計(jì)算結(jié)果得到靜態(tài)時(shí)晶體管的射級(jí)電位為 取基極偏置電路的電流I1=5IBQ，則 試驗(yàn)調(diào)整時(shí)取R1=5.1K+10K的電位器。取高頻旁路電容為CE1=0.02uF,輸入耦合電容為C1=0.02uF。 高頻電路的電源去耦合濾波網(wǎng)絡(luò)通常采用π型LC低通濾波器，如下圖所示，L10，L20可按經(jīng)驗(yàn)取50uF~100uF，C10，C20，

63、C11，C21按經(jīng)驗(yàn)取0.01uF。L10，L20可以采用色碼電感，也可以采用環(huán)形磁芯繞制。此外，還可以在輸出變壓器的次級(jí)與負(fù)載Rl之間插入LC濾波器，以改變R1上的輸出波形。 將上述設(shè)計(jì)計(jì)算的原件參數(shù)按照上圖（圖3-5-5）進(jìn)行安裝，然后逐級(jí)進(jìn)行調(diào)試。先安裝一級(jí)調(diào)整一級(jí)，然后安裝第二級(jí)在調(diào)試第二級(jí)，兩級(jí)安裝完后，兩級(jí)在進(jìn)行聯(lián)調(diào)。 3.6 諧振功率放大器的調(diào)整 1.諧振狀態(tài)的調(diào)整 設(shè)計(jì)并計(jì)算高頻諧振功放的前提是假定諧振回路已處于諧振狀態(tài)，即集電極的負(fù)載阻抗為純電阻。但回路的初始狀態(tài)或者在調(diào)諧過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)回路失諧的狀態(tài)，即集電極回路的阻抗呈感性或者呈容性，將使回路的等效阻抗下降。

64、這時(shí)集電極的輸出電壓將減小，集電極電流也隨之增大，從而導(dǎo)致集電極的耗散功率將增加，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損害晶體管。為保證晶體管安全工作，進(jìn)行調(diào)諧時(shí)，可以先將電源電壓+Vcc降低到規(guī)定值的1/2~1/3，等找到諧振點(diǎn)后，再將+Vcc升到規(guī)定值，在回路諧振時(shí)，示波器檢測(cè)的波形應(yīng)為不失真波形[13]。 2.寄生振蕩極其消除辦法 寄生振蕩是高頻功率諧振放大器應(yīng)用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，常見(jiàn)的寄生振蕩有以下兩種： （1）參量自激型寄生振蕩 圖3-6-1 1/2基波的影響 當(dāng)功放的輸出電壓Vcm足夠大時(shí)，功放的動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)就可能進(jìn)入?yún)⒘繝顟B(tài)，這時(shí)晶體管的許多參數(shù)將隨著工作狀態(tài)而改變，如集電結(jié)電容Cbc的變化就

65、特別明顯，將產(chǎn)生許多新的頻率分量存在于晶體管的輸出和輸入端，其中某些頻率分量由于相位和幅度比較合適，從而形成了自激震蕩。對(duì)輸出波形影響較大的有1/2基波頻率和3倍頻自激，右圖（圖3-6-1）所示為1/2基波頻率功放輸出端的合成波形。 參量自激震蕩的特點(diǎn)是必須要在外加信號(hào)的激勵(lì)下才能夠產(chǎn)生，因此斷開(kāi)激勵(lì)信號(hào)觀察震蕩是否繼續(xù)存在是判斷是否存在自激型寄生震蕩的有效方法。消除參量型寄生振蕩的常見(jiàn)方法是在基極或發(fā)射極接入防振電阻或引入適當(dāng)?shù)母哳l電壓負(fù)反饋，如果可能的話(huà)，可以適當(dāng)減小激勵(lì)信號(hào)電平[6]。 （2）反饋型寄生振蕩 反饋型寄生震蕩分為低頻寄生震蕩和高頻或超高頻寄生震蕩，低頻寄生震蕩的頻率低

66、于放大器的 工作頻率，高頻寄生振蕩的頻率高于放大器的工作頻率。下圖（圖3-6-2）表示出疊加入低頻自激后的輸出波形。 低頻寄生振蕩一般是由功放輸入輸出回路中的分布電容引起的，消除辦法是設(shè)法破壞他的正反饋支路，例如減小基極回路線(xiàn)圈電感量或串入電阻Rf，降低線(xiàn)圈的Q值等。 圖3-6-2 低頻寄生振蕩的影響 高頻寄生振蕩一般由電路的分布參數(shù)（分布電容，引線(xiàn)電感）影響造成的。消除高頻寄生振蕩的有效辦法是盡量減小引線(xiàn)的長(zhǎng)度，合理布局元器件或基極回路接入防振電阻等[6]。 3.7 天線(xiàn)的相關(guān)知識(shí)及設(shè)計(jì) 1.天線(xiàn)的輸入阻抗 天線(xiàn)的輸入阻抗就是指天線(xiàn)饋電端輸入電壓與輸出電流的比值。天線(xiàn)與饋線(xiàn)的連接，最佳情形就是天線(xiàn)的輸入阻抗是純電阻且等于饋線(xiàn)的特征阻抗，這時(shí)饋線(xiàn)終端沒(méi)有功率反射，饋線(xiàn)上沒(méi)有駐波，天線(xiàn)的輸入阻抗隨頻率的變化比較平緩。天線(xiàn)的匹配工作就是消除天線(xiàn)輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能的接近饋線(xiàn)的特征阻抗。一般移動(dòng)通信的天線(xiàn)的輸入阻抗為50Ω[6]。 2.天線(xiàn)的極化方式 所謂天線(xiàn)的極化，就是指天線(xiàn)輻射時(shí)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度方向。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度方向垂直于地面時(shí)，此