15W調(diào)頻發(fā)射機功率放大器

1、通信電子電路課程設(shè)計報告學(xué) 號： 姓 名： 黎維銀 學(xué) 院：華北科技學(xué)院 專 業(yè)：通信工程 班 級：通信B082班 指導(dǎo)教師： 安晶 目 錄摘 要21 實驗?zāi)康模?2 主要內(nèi)容33 基本要求34 原理及原理圖44.1 電路基本原理44.2 高功放性能分析84.3 諧振功率放大器的動態(tài)特性84.4 功率放大器的負(fù)載特性94.5 放大器工作狀態(tài)的調(diào)整125 方案設(shè)計與論證165.1 方案論證165.2 方案設(shè)計175.2.1 丙類功放的參數(shù)計算175.2.2 總電路圖185.2.3 放大部分185.2.4 LC調(diào)頻振蕩部分195.2.5 防干擾部分196 元件選擇207 電路的調(diào)試208 仿真21

2、9 心得體會2410 參考文獻(xiàn)25題目：15W調(diào)頻發(fā)射機功率放大器摘 要高頻功率放大器是發(fā)送設(shè)備的重要組成部分之一，通信電路中，為了彌補信號在無線傳輸過程中的衰耗要求發(fā)射機具有較大的功率輸出，通信距離越遠(yuǎn)，要求輸出功率越大。在高頻范圍內(nèi)，為了獲得足夠大的高頻輸出功率，就要采用高頻功率放大器。由于高頻功率放大器的工作頻率高，相對頻帶窄，所以一般采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。 本次課設(shè)報告先是對高頻功率放大器有關(guān)理論知識作介紹，在性能指標(biāo)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行單元電路設(shè)計最后設(shè)計出整體電路圖，在軟件中仿真驗證是否達(dá)到技術(shù)要求，對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，最后總結(jié)課設(shè)體會。1 實驗?zāi)康模?1.1 清楚丙類放大器的工作原

3、理掌握丙類放大器的計算與設(shè)計方法 1.2 弄清楚電源電壓和集電極負(fù)載對調(diào)頻發(fā)射機功率放大器功率和效率的原理 1.3 培養(yǎng)獨立思考和動手能力。2 主要內(nèi)容利用所學(xué)的高頻電路知識，設(shè)計一個調(diào)頻發(fā)射機功率放大器。通過本次電路設(shè)計，掌握調(diào)頻發(fā)射機功率放大器的設(shè)計方法、電路調(diào)諧及測試技術(shù)。加深對高頻電子線路課程理論知識的理解，提高電路設(shè)計及電子實踐能力。3 基本要求 設(shè)計一個調(diào)頻發(fā)射機功率放大器，主要技術(shù)指標(biāo)為： (1) 工作中心頻率約為 98MHZ； (2) 輸出功率PO=15W； (3) 負(fù)載電阻RL=50歐； (4) 效率大于50%。4 原理及原理圖 4.1 電路基本原理高頻功率放大器和低頻功率放

4、大器的共同特點都是輸出功率大和效率高，但二者的工作頻率和相對頻帶寬度卻相差很大， 決定了他們之間有著本質(zhì)的區(qū)別。低頻功率放大器的工作頻率低，但相對頻帶寬度卻很寬。例如，自20至20000 Hz，高低頻率之比達(dá)1000倍。因此它們都是采用無調(diào)諧負(fù)載，如電阻、變壓器等。高頻功率放大器的工作頻率高（由幾百kHz一直到幾百、幾千甚至幾萬MHz），但相對頻帶很窄。例如，調(diào)幅廣播電臺（5351605 kHz的頻段范圍）的頻帶寬度為10 kHz，如中心頻率取為1000 kHz，則相對頻寬只相當(dāng)于中心頻率的百分之一。中心頻率越高，則相對頻寬越小。因此， 高頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。由于這后一

5、特點，使得這兩種放大器所選用的工作狀態(tài)不同：低頻功率放大器可工作于甲類、甲乙類或乙類（限于推挽電路）狀態(tài)；高頻功率放大器則一般都工作于丙類（某些特殊情況可工作于乙類）。通常把集電極電流導(dǎo)通時間相對應(yīng)的角度的一半稱為集電極電流的到通角，當(dāng)導(dǎo)通角等于，表示管子在整個周期全導(dǎo)通，叫做放大器工作在甲類，當(dāng)其等于表示管子半個周期內(nèi)導(dǎo)通，叫做放大器工作 在乙類，當(dāng)其小于表示管子導(dǎo)通不到半個周期，叫做放大器工作在丙類。電流導(dǎo)通角越小放大器的效率越高。丙類諧振功率放大器原理圖如圖4-1所示。 圖4-1 諧振功率放大器的基本電路諧振功率放大器的特點： （1） 放大管是高頻大功率晶體管，能承受高電壓和大電流。 （

6、2） 輸出端負(fù)載回路為調(diào)諧回路，既能完成調(diào)諧選頻功能，又能實現(xiàn)放大器輸出端負(fù)載的匹配。 （3） 基極偏置電路為晶體管發(fā)射結(jié)提供負(fù)偏壓，使電路工作在丙類狀態(tài)。 （4） 輸入余弦波時，經(jīng)過放大，集電極輸出電壓是余弦脈沖波形。 晶體管的作用是在將供電電源的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康倪^程中起開關(guān)控制作用，諧振回路LC是晶體管的負(fù)載。功率放大器各分壓與電流的關(guān)系如圖4-2所示。圖4-2 功率放大器各分壓與電流關(guān)系由于晶體管工作在丙類狀態(tài)，晶體管集電極電流是一個周期性的余弦脈沖 。由傅立葉級數(shù)可知，一個周期性函數(shù)可以分解為許多余弦波（或正弦波）的疊加 。可以將電流分解為 （4-1) 分別為集電極電流的直流分

7、量、基波分量以及各高次諧波分量的振幅。圖4-3 iC(t)各次諧波的波形示意圖 在對諧振功率放大器進(jìn)行分析與計算時，關(guān)鍵在于直流分量和基波分量等前面幾項利用周期函數(shù)傅立葉級數(shù)的公式，可以求出式（4-1）直流分量及各次諧波分量 下面僅列出前面幾項的表達(dá)式 只要知道電流脈沖的最大值和通角即可計算出直流分量、基波分量及各次諧波分量 。各次諧波分量變化趨勢是諧波次數(shù)越高，其振幅越小。因此，在諧振放大器中只需研究直流功率及基波功率。放大器集電極直流電源提供的直流輸入功率為諧振功放集電極輸出回路輸出功率等于基波分量在諧振電阻RP上的功率為集電極的功耗為放大器集電極能量轉(zhuǎn)換效率等于輸出功率與電源供給功率之比

8、其中 甲類狀態(tài)， 乙類狀態(tài)，丙類狀態(tài)，工作在丙類狀態(tài)時，效率最高 。4.2 高功放性能分析 高頻功率放大器因工作于大信號的非線性狀態(tài)，不能用線性等效電路分析， 工程上普遍采用解析近似分析方法折線法來分析其工作原理和工作狀態(tài)。4.3 諧振功率放大器的動態(tài)特性 高頻放大器的工作狀態(tài)是由負(fù)載阻抗、激勵電壓b、供電電壓等4個參量決定的。為了闡明各種工作狀態(tài)的特點和正確調(diào)節(jié)放大器，就應(yīng)該了解這幾個參量的變化會使放大器的工作狀態(tài)發(fā)生怎樣的變化。 4.4 功率放大器的負(fù)載特性 如果、 3個參變量不變，則放大器的工作狀態(tài)就由負(fù)載電阻決定。此的負(fù)載特性。電壓、電流隨負(fù)載變化波形如圖4-4所示。圖 4-4 電壓、

9、電流隨負(fù)載變化波形 放大器的輸入電壓是一定的，其最大值為，在負(fù)載電阻RP由小至大變化時，負(fù)載線的斜率由小變大，如圖中123。不同的負(fù)載，放大器的工作狀態(tài)是不同的,所得的波形、輸出交流電壓幅值、功率、效率也是不一樣的。 臨界狀態(tài)時負(fù)載線和eb max正好相交于臨界線的拐點。放大器工作在臨界線狀態(tài)時， 輸出功率大，管子損耗小，放大器的效率也就較大。 欠壓狀態(tài) 時B點以右的區(qū)域。在欠壓區(qū)至臨界點的范圍內(nèi)，根據(jù)，放大器的交流輸出電壓在欠壓區(qū)內(nèi)必隨負(fù)載電阻RP的增大而增大，其輸出功率、效率的變化也將如此。 過壓狀態(tài)時放大器的負(fù)載較大，在過壓區(qū)，隨著負(fù)載的加大，IC1要下降，因此放大器的輸出功率和效率也要

10、減小。 根據(jù)上述分析，可以畫出諧振功率放大器的負(fù)載特性曲線如圖1-5所示。 欠壓狀態(tài)的功率和效率都比較低，集電極耗散功率也較大，輸出電壓隨負(fù)載阻抗變化而變化，因此較少采用。但晶體管基極調(diào)幅，需采用這種工作狀態(tài)。 過壓狀態(tài)的優(yōu)點是，當(dāng)負(fù)載阻抗變化時，輸出電壓比較平穩(wěn)且幅值較大，在弱過壓時，效率可達(dá)最高，但輸出功率有所下降，發(fā)射機的中間級、集電極調(diào)幅級常采用這種狀態(tài)。 圖4-5 諧振功率放大器的負(fù)載特性曲線4.5 放大器工作狀態(tài)的調(diào)整 調(diào)整欠壓、臨界、過壓三種工作狀態(tài)，大致有以下幾種方法：改變集電極負(fù)載；改變供電電壓；改變偏壓；改變激勵。改變，但不變 當(dāng)負(fù)載電阻Rp由小至大變化時，放大器的工作狀態(tài)

11、由欠壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入過壓。在臨界狀態(tài)時輸出功率最大。改變，但、不變 當(dāng)集電極供電電壓由小至大變化時，放大器的工作狀態(tài)由過壓經(jīng)臨界轉(zhuǎn)入欠壓。Vcc變化時對工作狀態(tài)的影響如圖4-6所示：圖4-6 Vcc變化是對工作狀態(tài)的影響在過壓區(qū)中輸出電壓隨改變而變化的特性為集電極調(diào)幅的實現(xiàn)提供依據(jù)；因為在集電極調(diào)幅電路中是依靠改變來實現(xiàn)調(diào)幅過程的。改變時，其工作狀態(tài)和電流、功率的變化如圖4-7所示。 圖4-7 改變VCC時工作狀態(tài)和電流、功率的變化不變，變化。當(dāng)自0向正值增大時，使集電極電流脈沖的高度和寬度增大，放大器的工作狀態(tài)由欠壓進(jìn)入過壓狀態(tài)。當(dāng)Vbm自0向正值增大時，使集電極電流脈沖的高度和寬度增大，放大器

12、的工作狀態(tài)由欠壓進(jìn)入過壓狀態(tài)。諧振功放的放大特性是指放大器性能隨 變化的特性，其特性曲線如圖4-8所示。 圖4-8 變化的特性所設(shè)計功率放大器可將功率1-2W、88-108MHZ調(diào)頻發(fā)射機的功率擴展至于10-15W，采用單管丙類放大及多級低通濾波器組成，具有較高的轉(zhuǎn)換效率及很強的詣波抑制能力。電路如圖所示，采用大功率發(fā)射管C1972，其參數(shù)如下：175MHZ、4A、25W、功率增益8.5db、按圖所示參數(shù)，電路工作中心頻率約為 98MHZ，輸入約2W的射頻功率時，額定輸出可達(dá)15W。為保88-108MHZ內(nèi)的任一頻點時輸出達(dá)到額定值，可根據(jù)前級的中心頻率對部分元件作適當(dāng)調(diào)整。必要時，可減少低通

13、波波器級數(shù)，以增大輸出功率。經(jīng)發(fā)展后的功率信號由三級低通濾波器濾去高次詣波成份饋入了發(fā)射天線。5 方案設(shè)計與論證 5.1 方案論證 在 “低頻電子線路”課程中已知，放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，將其分為甲、乙、丙三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的流通角為，適用于小信號低功率放大。乙類放大器電流的流通角約等于；丙類放大器電流的流通角則小于。乙類和丙類都適用于大功率工作。 丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高者。高頻功率放大器大多工作于丙類。但丙類放大器的電流波形失真太大，因而只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載的諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然極近于正弦波形，失真很小

14、。 工作在丙類狀態(tài)的諧振放大器，其作為功放輸出級最好能工作在臨界狀態(tài)，因為此時輸出交流功率最大，效率也較高，一般認(rèn)為此工作狀態(tài)為最佳工作狀態(tài)。 5.2 方案設(shè)計 5.2.1 丙類功放的參數(shù)計算 確定功放的工作狀態(tài)丙類高頻功率放大器可工作在欠壓狀態(tài)、過壓狀態(tài)和臨界狀態(tài)。因欠壓狀態(tài)效率低，而過壓狀態(tài)嚴(yán)重失真，諧波分量大，為盡可能兼顧輸出大功率、高效率，一般選用臨界狀態(tài)，其電流流通角在范圍。 現(xiàn)設(shè)=。在晶體管功率放大器中，可以通過改變激勵電壓、基極偏壓、集電極負(fù)載、集電極直流供電電壓來改變放大器的工作狀態(tài)。 集電極電流余弦脈沖直流分解系數(shù)，集電極電流余弦脈沖基波分解系數(shù)，。設(shè)功放的輸出功率為0.5W

15、。 功率放大器集電極的等效電阻為：集電極基波電流振幅為：集電極電流脈沖的最大振幅為集電極電流脈沖的直流分量為：電源提供的直流功率為：集電極的耗散功率為：集電極的效率為：滿足設(shè)計要求 5.2.2 總電路圖 5.2.3 放大部分圖5-1 放大部分 這部分電路是為了通過、這幾個可變來調(diào)節(jié)輸入與輸出的頻率，還可以調(diào)節(jié)其工作再合適的丙類工作狀態(tài)，C1972三極管來放大電流，從而增大功率。 5.2.4 LC調(diào)頻振蕩部分圖5-2 LC調(diào)頻振蕩部分 此部分是進(jìn)一步從得到雜亂信號中，利用振蕩器的選頻、濾波作用濾除高頻部分，得到所需穩(wěn)定頻率的低頻部分。這里利用了三級振蕩具有較高的轉(zhuǎn)換效率及很強的詣波抑制能力 5.

16、2.5 防干擾部分圖5-3 防干擾部分這部分電路能濾除集電極的交流電流，讓其不能到達(dá)，從而干擾，避免影響靜電流方面的功能，從而能得到穩(wěn)定的靜態(tài)工作點。6 元件選擇除電解電容外，其它用高頻瓷片電容器，C11、C12、C14用高頻特性好，性能穩(wěn)定的可調(diào)電容，扼流電RFC1、RFC2用成品電感器，必須注意RFC2的電流承載能力，應(yīng)選用線徑較粗的帶磁心的電感器。L1-L6可用ø0.8mm的高強度漆包線制，直徑約5MM，圈數(shù)圖中以“T”為單位標(biāo)明。Q1用普通Q9插座，與插頭配套使用。Q2用專用50射頻輸出接頭，接解電阻更小，更有利于阻抗匹配。功率放大管用比較常見的發(fā)射專用管C1972，當(dāng)然如果

17、您銀子特別充足，買塊C2538等高增益管的話，功率將會更大 。 7 電路的調(diào)試 調(diào)試電路時，務(wù)必注意因電路功率大，一定要接上假負(fù)載（本人用30支1W、1500高精度金屬膜電阻并聯(lián)制成），并且要有足夠在的散熱裝置，正常工作時電源功率不低于2.5A，天線阻抗嚴(yán)格等于50，不能用短棒拉桿天線，否則強烈的射頻回饋電流將使電路造成自身干擾，大部分射頻能量無法輻到空間而消耗在功率管上，使其過熱損壞；必須通過50發(fā)射專用同軸電覽引到室外天線發(fā)射。電路能否正常工作關(guān)鍵在于電路的調(diào)試，整個過程都得十分小心。調(diào)試時，只輸入較小的激勵功率，電源電壓下降為9V，用高頻電壓表（不能用普通萬用表）監(jiān)測假負(fù)載兩端高頻電壓值

18、，調(diào)節(jié) C12、C14，L3、L4、L5、L6、使電壓幅度達(dá)1520V左右，再調(diào)節(jié)C11、L1使電壓最大。然后逐步提高電壓，每提高一次電壓都反復(fù)調(diào)整 C12、C14和C11、L1使輸出端電壓最高，注意的是電壓應(yīng)與射頻輸入激勵功率同步增大，以保證調(diào)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。達(dá)到額定值時，電源電壓13.8V 下工作電流約2A左右，50純電阻假負(fù)載兩端電壓40V，射頻輸出功率達(dá)15W。用該射頻功率放大器配合50傘狀全向垂直發(fā)射天線（增益約2dB)，以普通調(diào)頻收音機測試，發(fā)射距離覆蓋面不少于15Km。8 仿真 三極管基極波形，如圖8-1。這圖表明輸入端電信號源、結(jié)構(gòu)、參數(shù)合理，可以為以后電路提供正確信號，這是進(jìn)行檢測電路的步驟。圖8-1調(diào)節(jié)部分波形，如圖8-2 這部分的電路波形表明調(diào)節(jié)部分調(diào)節(jié)成功，得到正確的參數(shù)。圖 8-2最后波形，如圖8-3。這是最后輸出波形，表明我們整體電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)正確合理。圖 8-39 心得體會 課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。通過這次的高頻課設(shè)，加深了對電子電路理論知識的