（电路与系统专业论文）高频无线收发电路的研究与设计.pdf

摘要 手两要 无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间传播的特性进行信息交换的一 种通信方式。近些年无线通信技术的发展，给人们之间的通信带来很大的方便， 应用也越来越广泛。 本论文主要对高频段的无线收发电路进行研究，文中给出了此设计的过程 及最终的实现电路，并详细分析了电路的工作原理。首先本文分别对调制解调 器、功率放大器、晶体振荡器、混频器和检波器等进行理论分析，根据原理的 分析结果设计出各个模块的相应电路。然后采用p s p i c e 对电路进行仿真，根 据仿真结果对电路进行优化，使电路工作在最佳的状态。最后根据理论分析的 结果和设计的原理图，进行无线收发电路的构建。 调制电路采用了a s k 调制方式，电路由高速c m o s 门电路来实现。本地 信号源一个c m o s 皮尔斯振荡器，此振荡电路简单、性能稳定、电流驱动能 力强，能够很好的满足本设计的要求。功率放大器采用的是高效率的c 类功率 放大器，后级是一个巴特沃斯型低通滤波器，滤波后通过匹配电路和天线连接， 最后经过天线发射调制信号。接收电路的前级功放是由m c l 3 5 0 构成，放大后 的信号经本地振荡电路进行混频，输出的中频信号经过检波电路进行检波，检 波后通过电压比较器把模拟信号转换为数字信号，至此完成了信号的解调。 本论文根据设计的实际电路进行了测试，能够满足本设计的指标要求。此 电路思路明确，结构简单，易于实现，有一定的实用价值。 关键词：无线通信功率放大器晶体振荡器滤波器p s p i c e a b s t r a c t a b s t r a c t l e s sc o m m u n i c a t i o ni sak i n do fc o m m u n i c a t i o nm a n n e rw h i c hc a n e x c h a n g ei n f o r m a t i o nu s i n ge l e c t r o m a g n e t i cw a v e st h a tp r o p a g a t ei nf r e es p a c e i n r e c e n ty e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sm a d e t h ec o r r e s p o n d e n c ea m o n gp e o p l eb e c o m em o r ec o n v e n i e n t , a n di t sa p p l i c a t i o ni s m o r ea n dm o r ew i d e l y i nt h i st h e s i s ，as t u d yi s p e r f o r m e d a b o u tt h eh i g hf r e q u e n c yw i r e l e s s t r a n s c e i v e r , h a sp r o d u c e dt h i sd e s i g nd e t a i l e dp r o c e s sa n dt h ef i n a lr e a l i z a t i o n e l e c t r i cc i r c u i t ，a n dt h ee l e c t r i cc i r c u i tp r i n c i p l eo fw o r ki sd e e p l ys t u d i e d f i r s to fa l l ， t h i sp a p e rg i v e sat h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h em o d e m ，p o w e ra m p l i f i e r , c r y s t a l o s c i l l a t o r , m i x e r sa n dd e t e c t o r sa n dd e s i g n st h ec o r r e s p o n d i n gc i r c u i to fe a c hm o d u l e b a s e do nt h er e s u l t so fa n a l y s i so fp r i n c i p l e s t h e np s p i c ei su s e dt os i m u l a t et h e c i r c u i tt oo p t i m i z et h ec i r c u i t ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs i m u l a t i o nm a k et h ec i r c u i t w o r ki nt h eb e s tc o n d i t i o n f i n a l l y , ah a r d w a r ec i r c u i ti sf a b r i c a t e db yt h er e s u l t so f t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g n e ds c h e m a t i c s t h et h e o r yo fa s ki su s e di nt h em o d u l a t i o ns y s t e m ，a n dt h ec i r c u i ti sr e a l i z e d b yt h eh i 曲s p e e dc m o sg a t e ac m o sp i e r c eo s c i l l a t o rc i r c u i ti s u s e df o ri t s e x c e l l e n tf r e q u e n c ys t a b i l i t y , s i m p l ed e s i g n , a n dh i g hd r i v el e v e l ，w h i c hm e e t st h e r e q u i r e m e n t so fd e s i g n ah i g he f f i c i e n c yc l a s sca m p l i f i e ri su s e di nd e s i g n t h el a t t e r c l a s si sab u t t e r w o r t hl o w - p a s sf i l t e rw h i c hc o n n e c t st h ea n t e n n at h r o u g ht h e m a t c h i n gc i r c u i ta f t e rf i l t e r i n ga n df i n a l l yl a u n c h e st h r o u g ht h ea n t e n n a p r e a m pi s c o n s t i t u t e db ym c l 3 5 0a n dt h ea m p l i f i e ds i g n a li sm i x e db yt h e l o c a lo s c i l l a t o r c i r c u i t t h eo u t p u to ft h ei fs i g n a li sd e t e c t e dt h r o u g ht h ed e t e c t o rc i r c u i ta n dt h e n t r a n s f o r mt h ei m i t a t i v es i g n a l si n t od i 百t a ls i g n a l st h r o u g hav o l t a g ec o m p a r a t o ra f t e r d e t e c t i n g ，t h u sc o m p l e t e dt h es i g n a ld e m o d u l a t i o n t h ed e s i g n e de l e c t r i cc i r c u i ti st e s t e d ，a n dt h er e s u l tc a ns a t i s f yt h ed e s i g n s p e c i f i c a t i o n t h i se l e c t r i cc i r c u i tm e n t a l i t yi sc l e a r , s i m p l e ，e a s yt or e a l i z ea l s oh a sa c e r t a i nu s e f u lv a l u e a b s t r a c t k e yw o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，a m p l i f i e r , c r y s t a lo s c i l l a t o r , f i l t e r , p s p i c e i u 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 无线收发电路的概念 无线收发电路就是能够发射和接收信号的电路，主要用来人们日常生活中 的信息的传播。无线收发电路可分为发射电路和接受电路，发射电路直接把信 息转换成电磁波在空中传播；接收电路则是把接受到的电磁波再还原成成人们 所需要的信号。 1 2 课题的研究意义 1 2 1 无线电传输的发展历史 在人们的日常生活中，需要把自己有信息发送出去，然后在另一个地方接 受到这个信息，我们称之为通信。通信的主要任务就是传输消息，一般含义就 是发送者到接受者的消息传递，利用某种信号实现消息传送的系统称之为通信 系引1 1 。 人们最早的传递信息方式是在视线范围内来传播，例如用火炬、烽火、旗 语等来传播信息。早在1 8 6 5 年，麦克斯韦从电磁理论研究中就预言电磁波能以 波的形式向外传播，其速度与光速相同。1 8 8 7 年德国物理学家赫兹以著名的电 火花放电试验证明了麦克斯韦的预言1 2 1 。在1 9 世纪末的时候，由于电磁场理论 的发展成熟，人们开始研究用无线电波也就是电磁场来传递信息，这标志着现 代无线电通信的开始。其中最著名的就是马可尼，一个意大利的年轻人，他在 1 8 9 5 年，用他自己设计的无线电传输的装置能进行了2 5 千米的无线电报传输 试验。几年后的英吉利海峡和大西洋无线通信试验的成功，标志着现代无线电 的诞生。 在马可尼无线电发报机试验成功后，很多业余无线电开始进行无线发报机 的研究，所以频率范围的应用是一个不得不解决的问题。由于无线电波的传输 是没有方向和国界的，因此频率的划分必须有各个国家近些协调，例如遇险和 第l 章绪论 求救的信号必须得到保护。在1 9 世纪初的在德国举行无线电大会开始进行了对 频率的初步划分，到1 9 1 2 年正式制定了各种无线电业务划分频率。 1 2 2 无线电的应用 最初的无线电的应用就是发报机，也就是正常的无线通信作用。例如在1 8 9 8 年，英国就开始用发报机营救海上的遇难者。然后人们开始研制出来播放语音 和音乐的无线的广播电台，知道现在人们还用收音机来收听新闻和音乐，成为 日常生活中的一个重要的信息来源。 当人们实现了用无线电波传送声音以后，就开始思考如何能传送视频信号。 然后由于视频信号量比加大，传送视频信号需要较高的频率，比广播信号的几 百k 要高得多，一般需要几十兆到上百兆的频率。最早的无线传播技术只能传 播静止的图像，直到兹沃雷金研制成功电子显像管和光电摄像管，现代电视的 技术才基本完成。电视为以后社会的发展当中，为人们传播信息、普及知识和 娱乐生活起了非常重要的作用。 电磁波的波长和传输方向有很大的关系：波长越长，电磁波的绕射性越好； 波长越短，电磁波的方向性越强，遇到障碍物容易反射。根据电磁波的这个特 性，利用电磁波的发射和反射，可以用来测试距离，雷达也是利用了电磁波的 这个特性来研制的。 到了2 0 世纪6 0 年代，为了让短波的电能够有更远的传播距离，美国研究 低空卫星的通信技术。到了1 9 6 4 年，利用卫星作为调频中继，开始用短波进行 通信，实现了全球的无线电通信和电视的转播。 在近几年的日常生活中，无线传输发挥着越来越重要的作用，我们几乎每 天都要用到无线电通信技术的东西。我们每天都在使用的电视机、玩具遥控器 和无线钥匙等就是用的红外无线发射信号来实现遥控的；平时用的手机、无线 路由器、无线鼠标键盘等都是用的射频进行通信；近几年发展的r f i d 技术， 也是利用了高频信号来进行传递信息的。所以，我们的现代日常生活离不开无 线通信技术。 1 2 3 无线通信中收发电路的研究意义 无线通信主要由信息处理，采集，调制和解调方式，编码，占用的频率和 频带，和收发电路等几部分。收发电路模块在无线通信系统中一个非常重要的 2 第l 章绪论 的部分，它影响着无线通信系统通信距离的远近，通信效果的好坏，抗干扰性 的强弱等，它直接影响到无线通信的效率和结果。所以，研究无线收发电路无 线通信有着非常重要的意义。 1 3 论文章节安排 本课题主要研究无线通信系统中的一种小功率收发模块，主要包括调制放 射的选择：发射电路中振荡电路、滤波电路、匹配电路和功率放大器的研究； 接收电路中的混频方式、检波方法、调谐放大电路的研究。本论文总共分为六 章。 第一章是绪论，主要介绍了无线收发电路的概念，无线电技术的历史发展 和研究无线收发电路的意义。 第二章主要介绍了无线收发电路的原理及其组成，调制解调的方式，并用 了所学的知识对其进行了分析。 第三章主要是对发射电路调制的实现方式和各个电路部分进行分析，并用 根据分析进行设计一个小功率发射电路。 第四章主要是对接收电路的各个部分进行分析，并且用分析的结果设计了 一个无线接收电路。 第五章对无线收发电路的一些仿真，和实际的电路结果进行对比分析。 第六章是对本论文主要的内容进行总结，和本设计需要改进的地方。 第2 章无线收发电路的基本组成及工作原理 第2 章无线收发电路的基本组成及其工作原理 2 1 通信系统的基本结构 2 1 1 通信系统的结构框图 一个完整的无线通信系统一般由输入换能器、发射设备、传输信道、接收 设备、输出能转换器等5 部分组成【3 】。无线电传输的主要通道，一般为大气层。 图2 1 是通信系统的基本框架图。 i 广1 广1 广 i 广1i 广1 广 广1i i l 堡翌h 竺垒兰堡兰h 型垫州垂竺堕望h 苎些垫h 竺些堡堡兰h 竺生堕兰il l 蔓塑翌j 广li 接收设备 i 型 图2 1 无线通信系统的基本组成 2 1 2 无线通信的分类 无线通信的分类有很多种，分类的主要的依据有传输的方式、频率的不同 和通信的用处等几种。 a ) 根据通信方式的不同，可以分为单工通信、半双工通信和全双工通信； b ) 根据调频方式的不同，可以分为调幅、调相、调频等； c ) 根据传输频率的不同，可以分为中波通信、短波通信、超短波通信、微 波通信和卫星通信； d ) 根据传输类型的不同，可以分为数字通信、模拟通信等； 无论上面的通信方式是那种类型，但是他们的基本结构是一样的，他们的 工作原理都是相似的h 。 4 第2 章无线收发电路的基本组成及工作原理 2 1 2 - 无线收发电路的调制与解调 2 2 1 调制与解调的基本概念 发送端部分一般包括了能源转换器、发射电路和发射的天线等几个部分。 输入能转换器一般的作用是把装备发射的信息转变成要可以发送的基带信号， 例如我们要发送的文字信息，那么就要把文字信息转换成电信号或者光信号才 可以传输，这个转换器就是我们所说的输入能转换器。一般情况下，转换后的 信号含有直流分量，而且信号的频率比较低，我们称这样的信号为基带信号【5 】。 基带信号往往不能作为传输信号，因此必须把基带信号转变为一个相对基带频 率而言频率非常高的信号以适合于信道传输，这个信号叫做已调信号，而基带 信号叫做调制信号【6 】。我们把这个频率非常高的调制信号也称之为载波。调制 即使用调制信号的幅度、相位或者频率，随着基带信号的幅度改变而改变。然 后，把我们已经调制的信号进行放大，放大到足够的功率经过天线进行发射， 发射天线把高频的振荡信号转变成电磁波向外进行辐射。 解调就是在接收端，用天线把天空中的电磁辐射，转换为高频的振荡信号， 然后把电子高频振荡信号经过转换电路，去掉载波还原成原来的基带信号，这 个过程称为解调。然后基带信号可以经过输出换能器，转换成我们所需要的信 息，例如声音、文字等【7 j 。 调制有很多种类，根据调制信号的不同可以分为数字调制和模拟调制。模 拟调制就是调制信号为模拟信号，同理数字调试就是调制的信号为数字信号。 根据控制高频载波方式的不同，如果载波为正弦波，那么可以分为幅度调试、 频率调试和相位调制。其实从调制原理上看，就是用调制信号的幅度来控制载 波的幅度、频率和相位的变化来按照一定规律变化的过程，而解调就是把这个 有规律的变化还原成基带信号的过程。 现在的通信技术中，一般都是采用的为数字信号调制技术。数字通信技术 比模拟通信技术有很多优点：第一，数字通信技术的抗干扰能力有很大提高， 这是因为模拟信号很难分离在传输的工程中叠加的干扰噪音，这些噪音经过放 大后很难再去除，而且严重影响通信的质量，但是这些噪音在数字信号很容易 得到解决。第二，数字信号适合远距离的传输，因为数字信号在中继站很容器 的去除噪音还原成原来的信号，所以可以高质量的传输很远的距离。第三，数 5 第2 章无线收发电路的基本组成及工作原理 字信号容易用在不同的通信要求中，可以很容易的实现加密处理，方便采用大 规模集成电路等特点【引。 2 2 2 本设计的调制与解调 数字调制一般就是采用数字信号来控制载波的振幅、频率和相位。数字调 制又称为键控。数字调制根据调制的类型又分为振幅键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 例。 其中a s k 是用基带信号控制正弦载波变化的数字调制，所以a s k 调制容 易实现，电路比较简单，所以本设计使用的是a s k 调制，即数字振幅调制。 a s k 的基带信号就是用矩形脉冲表示二进制信息序列。1 用矩形高电平表示， o 用低电平表示。如图2 2 所示，当j ( f ) = 1 时，“脚( f ) 输出为高频振荡波形； s ( t ) = 0 时，( r ) 输出为低电平。调制的过程好像开关控制信号，所以又叫做 开关调制，及时o o k 调制，或者称为振幅键控【i 们。 载波信号f 八八八八八八八八八八八， 基带信号00 1100 | 10 调制信号1 厂1 厂 图2 2 a s k 信号波形 a s k 信号的产生的方式有两种：一种是利用模拟乘法器，就是用数字信号 和载波进行相乘；第二种是利用键控的方法，利用基带信号控制开关电路来实 现调制。在本设计中主要应用的是模拟乘法器的方法。 乘法器法 载波 开关电路 键控的方法 图2 3 a s k 调制方框图 从上面的分析可以看出，a s k 的调制方式和模拟信号中的调幅方式有很大 的相似之处。所以，对于a s k 的解调方式也有两种方式：一种是非相干解调即 包络检波法；另外一种是相干解调法即同步检波法【l l 】。它们的原理方框图及解 调过程的时间波形图如下 6 第2 章无线收发电路的基本组成及工作原理 lb p f p型吨多叫l p ff 俐采样判决|il k o s w t 千p ( t ) 叫载波同步 叫位同步器 - 倡剧弋码l 1o 1 oo 1 1o m ，瑚籼舻_ 蝌蝴肛j c o s w t 制将唧掀般喇w 贼错 y ( t ) 衄咖b 删i 凹蚴0 蝴 r ( t ) a 口l 二芏 i 以d l 口l 口i 口 口；口l 口i 口i 口i s ( t ) 1o1o ；ol 】 】io 图2 4 a s k 信号相干解调方框及时间波形图 瞎息代码；1 ；0j 1i0 0 ；1 1 0 ； a 撇妒寸懈删静 b 删幽l 阻幽幽 c 臼臼le 二匕j d h 广 i 广1 图2 5 a s k 信号非相干解调方框及时间波形图 由于想干解调电路比较复杂，所以在本设计中，采用非相关的包络检波法， 实现的方法和实现的方式将在第四章中详细的介绍。 2 3 无线收发电路的基本组成 2 3 1 无线发射电路的结构 下面就是无线发射电路的框图，图2 - 3 ( a ) 为一般的调幅发射电路。主要 由振荡器、高频功放、音频功放、调制电路和发射天线几部分构成【1 2 1 。 本地振荡器的作用是提供稳定的高频载波，一般可以有l c 振荡电路实现， 7 第2 章无线收发电路的基本组成及工作原理 如果精确性要求高，可以用石英晶体振荡器。在数字电路中的振荡器大多数情 况下都是用的石英晶体振荡器。缓冲级的主要作用是：减少后面的电路对振荡 器的影响；增加振荡电路的驱动电流等几个方面【1 3 1 。高频功放的主要作用是把 振荡器出来的载波进一步放大，适合混频器和输入的信号进行混频。有的振荡 器的震荡频率比较低，但是载波需要很高的振荡频率，而高频率的振荡器又不 容易设计，所以需要对原有的频率进行倍频，以适应载波的需求【1 4 1 。 ( a ) 一般的调幅发射电路组成框图 ( b ) a s k 调制的发射框图 图2 3 无线发射电路的框图 图2 3 ( b ) 为本设计所用的a s k 调制的发射框图。从单片机输出的数字信 号，经过一个缓冲电路的作用后，进入混频器和本地振荡器进行混频。为了载 波输出的稳定性，本地振荡器为一个石英振荡器，输出来的振荡频率经过一个 缓冲器进入混频器，和输入的数字信号进行混频，完成a s k 调制。已调信号经 过滤波器进行滤波，然后用高频功率放大器对信号进行放大，放大后的信号经 过匹配电路，通过发射天线进行发射出去【”】。 2 3 2 无线接收电路的基本结构及其原理 无线接受电路的作用就是把接收到的信号，还原成原来的调制信号。一般 情况下接收电路必须有以下特性：由于在接收电路端接收到的信号都很微弱， 所以接收机必须有很大的增益；发射电路发射的调制信号频率的是固定的，在 接收电路接收的电路必须要有选择性，接收已调的频率差很小的信号；接收电 8 第2 章无线收发电路的基本组成及工作原理 路具有检波功能，生成一个我们可以应用的信掣1 6 1 。根据以上的分析，我们知 道接收电路由以下几个部分构成：接收天线、带通滤波器、高频功率放大器、 混频器、中频放大器和检波器等几个部分构成【1 7 1 。图2 4 就是一个超外差电路 典型的接收电路框图。本设计也是采用超外差的方式接收。 调制 信号 图2 4 无线接收电路框图 混频器是接收电路一个非常重要的部分。它的作用是把高频功放输出的信 号z 和来自本地振荡器的信号五进行相乘，然后输出z 和无的和或者差值，即 石= f c 五。其中石是一个固定值，称之为中频。混频器的目的就是把接收到 的信号正变成我们方便处理的信号石，一般取的都是差值石= f c 一无，所以这 种接收的方式成为超外差接收【l 剐。 本地振荡器产生的高频振荡信号用来生成石= f c + - a 信号。由于石直接影 响到处理信号的稳定性，而且其值是一个稳定的值，所以当疋改变的时候，五 必须相应的加以改变。 高频放大器是由一级或者几级小信号谐振放大器组成的低噪声放大器 ( l o wn o i s ea m p l i f i e r ，l a n ) 。它的作用是利用其本身的谐振网络，把天线中 的有用的信号选择出来，然后再进行放大。因为要接收的信号频率疋会根据需 要而变化，所以谐振放大器的中心频率必须可调，所以有的时候还需要自动频 率调节的电路。高频放大器必须有很高的稳定性，所以其增益不会太高，一般 不会超过1 5 扭。 第一级b p f ( b a n dp a s sf i l t e r ，b p f ) 的中心频率比较高，带宽也比较宽，主 要用于选择频带。而第二级b p f 的中心频率比较低，因此带宽也是比较窄，作 用主要是选择信道。第一级带通滤波器放在高频放大器前面，有利于滤除外面 的信号干扰，让在l a n 后面，有利于滤除l a n 产生的非线性干扰。由于带通 滤波器没有放大作用，接入一级就会增加一级的衰减，所以设计滤波器的时候 9 第2 章无线收发电路的基本组成及工作原理 应该考虑到它的损耗作用【l 引。 中频放大器是由多级的小信号放大器组成的，且带有选频作用的中心频率 稳定的带通放大器，中频放大器常常带有自动增益控制的电路( a g c ) 。信号 从天线接收到，要进行1 0 0 d b 一2 0 0 d b 的功率放大才能进行检波，为了放大器 能稳定的工作，避免放大器自激，放大器在一个频带内通常不超过5 0 6 0 d b 。 在超外差接收机中，将整个电路的增益分配到高频放大器、中频放大器和基带 放大器3 个频带上，其中中频放大器在较低的频率上做窄带高增益的放大器比 在射频波段做高增益放大器要容易稳定的多。 在无线收发电路中，除了检波电路和低频放大电路外，大部分电路都是高 频信号电路。它包含了高频信号产生、信号的放大、混频、调制和解调电路。 这些电路的构成既有分立元件，也有集成元件；既有有源器件也有无源器件； 既有线性电路也有非线性电路。这些电路有关的问题，将在下面的章节中进行 讨论。 1 0 第3 章无线发射电路的设计 第3 章无线发射电路的设计 3 1 功率放大器的设计 在接收机中接受到的弱信号后，用小信号放大器放大，然后我们用耳机或 者喇叭就能听得到声音，或者放大到我们可以应用的信号。在发射机中，把信 号用功率放大器放大，使得有足够多的能量输入天线，这样才能传播到更远的 距离。所以，放大器是我高频制作和实验的重心。 3 1 1 功率放大器基础 高频放大器是无线电路中发射设备一个很重要的组成部分，如果信号能够 有效的进行远距离的发送和接受，在发射电路中一定要有足够大的发射功率。 在发射模块中，振荡器产生的高频振荡频率一般都是比较小，所以要进行有效 的发送，一般要经过前置的缓冲级，中间的放大级，和后级的功率输出级这几 个部分 2 0 1 。只有这样才能反馈到后面的天线辐射上去。高频的功率放大器一般 要满足以下几个要点：功率输出要足够大，效率要足够的高，非线性失真小和 频率的带宽要满足设计的要求等。 在放大器的设计中，高频放大器和低频的放大器设计要求有很大的差别。 首先是工作频率和相对的带宽要求差别比较大。一般情况下，低频的放大器工 作在2 0 - 2 0 0 0 0 h z 的频率上，频率的带宽相对比较宽，一般是用纯电阻作为负 载。高频谐振功率放大器具有选频作用，所以后面一般跟着带通滤波器，带宽 相对低频的放大器比较窄。其次，低频功率放大器主要对输出功率昂要求比较 高，电路工作在b 类，a 类，或者a b 类工作状态【2 1 1 。高频功率放大器后面跟 滤波器，要求输出功率高的同时要求放大器的效率比较高，所以一般工作在d 类，e 类工作状态。所以放大器的分析参数也有所不同，低频放大器可以按照 线性放大电路的分析方法进行分析和计算，一般用h 参数进行分析；而高频放 大器工作在d 类，e 类放大状态，因此要采用非线性的分析方法进行分析，频 率比较高时要采用s 参数等分析方法。 第3 章无线发射电路的设计 3 1 2 功率放大器的主要技术指标 功率放大器的主要技术指标包括：输出功率、功率增益、噪声系数、工作 效率、互调失真、输入输出电压驻波比、工作电压和电流等。 输出功率：功率放大器输出功率的大小，单位为d b m 。 功率增益：功率放大器在正常工作状态下，输出功率与输入功率的比值，单 位为拈。 噪声系数：输入信噪比与输出信噪比的比值。可以用下面的等式来表示 t = ( n f 一1 ) t o ( 3 1 ) 其中t o 为绝对温度 工作效率：就是功率放大器所消耗的直流功率与功率放大器输出功率的比 值。 ， 驻波比：主要是表示阻抗匹配的程度。例如电压驻波比如下表示 v s w r ：刿旦 1 一 ( 3 2 ) 其中 r = 麓 ( 3 3 ) z 为放大器输出输入端的阻抗，z 0 为特征阻抗瞄】。 3 1 3 影响放大器输出功率的主要因素 影响放大器输出功率主要有2 个因素，一个是放大器的输出电压，二个放 大器的输出电流幅度，所以为了获得较大的输出功率，要求放大器提高电压和 电流的幅度，这样会使功率放大器工作在极限的工作状态。功率三极管一般有 3 个极限参数，集电极最大允许电流，集电极反向击穿电压，集电极最大允许 耗散功率【2 引。只要上面的3 个极限参数中任何一个超过最大限制，功率三极管 就有可能被烧坏。其中集电极功耗是由集电极的电压和电流决定的。所以使用 功率三极管不能超过极限的运放状态，集电极的电压和电流不能超过限制的最 大值，这次才能使三极管工作在安全的工作状态。所以在使用功率放大器时， 设计好电路的功率管的集电极最大允许电流，集电极反向击穿电压，集电极最 大允许耗散功率变的非常重要。 1 2 第3 章无线发射电路的设计 3 1 - 4 提高放大器输出功率的方法 高频放大器的设计原则是：输出功率在高频放大器在输入信号的控制下， 把直流电源所提供的直流功率尽可能的转换为按照高频输入信号规律变化的交 流输出功率。把直流电源提供的能量转化为交流能力的过程中，会有一部分转 化为热能，散发出来消耗掉。另外一部分会转换为交流功率从天线中发射出去。 根据能量守恒定律，有下面这个公式 弓= e o + 尼 ( 3 4 ) 其中最为电源提供的直流功率，b 为放大器输出功率，耳为功率管集电 极耗散功率。通常用能量的转换效率来衡量高频放大器的转换能量的能力，用 符号仉来表示。其定义为：交流输出功率和直流电源提供的功率纸比： 仉= 毒= 丽p o 5 ， 由此可见，当转换效率仉越高，转换后的放大器的交流输出功率会越大， 集电极所消耗的功率越小，放大器转换能量的能力就越强，所以要设法提高功 率放大器的转换效率。对于b j t 来说仉也成为集电极的转换效率。功率放大器 的工作点设置的不同，其效率也不相同【2 4 1 。因此，可以通过设置高频功率放大 器的工作点来提高效率和输出功率。 根据以上的讨论，我们可以从以下的方法来提高放大器的转换效率与输 出功率： 1 设定适当的功率管的工作状态 2 选用耗散功率打的功率器件 3 采用功率合成的电路 4 改善器件的散热条件，如加散热片等 3 1 5 工作状态的选择问题 由于要提高放大器的转换效率，就要降低放大器的功率损耗，提高放大器 的输出功率。对于晶体管功率放大器，可根据晶体管集电极电流的导通角的不 同，将功率放大器分为a 类，b 类，c 类，d 类，e 类等不同的放大器。其中 a 类放大器的效率最低，b 类比a 类的转换效率要高，同理工作在c 类，比a 类b 类都要高，晶体管集电极功率的公式为 第3 章无线发射电路的设计 尼= 寺上。屯d ( 研) ( 3 6 ) 从公式( 3 6 ) 中可以看出，如果七增加的时候，降低坼e ，反之“e 增加 降低蕾都可以使犀值降低。当i c 导通的时间降低的时候，最的值也会减少。要 满足上面的这种电压和电流的相对关系，功率放大器最好工作在c 类，或者d 类，e 类放大器状态。由于功率放大器( 特别是输出级) 都是大信号状态下工 作，所以放大器都是工作在非线性状态，是放大器输出的信号波形产生各种的 失真，尤其是非线性失真。然而它的工作频率很高，相对的频带较窄，因此高 频功率放大器常常采用选频网络作为负载回路。通过选频回路的滤波作用，从 放大器输出失真波形中，选出与输入信号相同的频率的基波分量，是输出的信 号波形几乎不失真或者失真很小1 2 引。 高频功率放大器按照工作频率的宽窄，可以分为窄带高频功率放大器和 宽带高频功率放大器。窄带高频功率放大器以调频网络作为输出网络，或者匹 配网络，所以称为调谐式功率放大器，而宽带高频功率放大器的输出电路则是 传输线变压器或宽带匹配电路【2 引。 3 1 6 类放大器的工作原理 放大器的工作类是由驱动周期部分或发生导通的占空比来决定的。a 类放 大器是在1 0 0 周期内导通，他的特点是无论信号的强度，都有恒定的电源电流。 我们在r f 应用中使用的大部分放大器和接收机中的许多音频电路都是工作在 a 类。 b 类放大器是只导通5 0 的周期，如果我们用正弦信号检测电路时，正好 是1 8 0 度。在没有信号输入时，b 类放大器就没有吸取直流电流。但是电路会 随着输入电流的波动，而且会随着输入强度的增加而增加。b 类放大器有着很 好的包络线性，也就是说输出信号的幅度会随着输入信号线性的变化。在一半 的驱动周期缺少总电流的情况下，输出电路中将会产生驱动信号谐波。 c 类放大器是导通周期不到半个周期。如果没有驱动就不会产生电流，当 驱动很小的时候也不会产生输出和电流。只有当驱动达到一定的值后，原件才 开始的导通，放大器开始工作，产生输出电流。没有电源偏置基极的双极型晶 体管工作在c 类。 大信号模型适用于所有的功率放大器放大器类型，但是小信号模型一般适 1 4 第3 章无线发射电路的设计 用于a 类放大器。 还有一类放大器是a 类和b 类放大器的结合体，称为a b 类放大器。这类 放大器是每个周期能导通一半以上的放大器。在低电压驱动下，a b 类放大器 还a 类放大器还不好区分，但是增加驱动使得a b 类放大器有更大的输出效率 3 1 7 小功率放大器的设计 而而而而刁 图3 1 功率放大器 图3 1 是一个小功率c 类放大器。当电源电压为1 2 v 、输出功率为1 5 w 的 时候，我们来计算下负载电阻 、，2 r ，= 坠 ( 3 7 ) 。2 此时可以估算出r 约为4 8 q ，已经很接近我们所希望看到的5 0 f f 了，所 以在放大电路的输出端就不再需要接阻抗匹配网络来进行匹配了。只要在输出 级加一个低通滤波器就可以了。本电路中的滤波器为5 阶巴特沃斯型低通滤波 器，低通滤波器的设计会在下面的章节中介绍此电路的设计方法。 在输入端，假设信号源的输出为5 0 q ，这样在设计放大器的时候电路的 输入阻抗就会很容易设计。在基极，如果想要获得很大的输入电流，最好的方 1 5 第3 章无线发射电路的设计 法是降低电源的输出电阻。此电路的传输变压器就是这个作用。如果电路的匝 数比为2 ：1 ，那么5 0q 的电源输出电阻被转化为1 2 5q ，这样就能为基极提供 较多的电流。 基极驱动的信号源的电阻值要尽可能低。当信号源的电阻比较高的时候也 有可能为放大电路提供所需要的电流，但是在信号源驱动周期的负半周向正半 周改变的时候，这可能导致晶体管发射极基极的电压击穿。所以，降低信号源 的驱动电阻，有助于提高放大器的稳定性。 放大电路的晶体管2 n 3 8 6 6 如果温度过高，会影响到电路的稳定性，所以 最好加上一个散热片。为了有效的保护放大电路的晶体管，必须在晶体管的集 电极加一个稳压管。这个齐纳二极管的要求是大约为三倍于电源电压，但是必 须小于晶体管的击穿电压。当放大电路的晶体管的集电极电压值比较高时，齐 纳二极管导通，这样有效的保护了三极管不被烧坏。但是，由于齐纳二极管有 较高的电容，所以在后级的匹配电路或者滤波电路中的设计中，必须考虑进去 稳压管的电容值。 集电极的扼流圈( r f c ) 是为集电极提供偏流回路。在直流回路中扼流圈 是短路，交流回路中有很大的阻抗。其中电感和电阻并联是为了去耦串联阻抗， 但是如果用磁珠去耦射频扼流圈，作用会更加明显。 用一个电感和电容的串联，是为了观测放大器的性能。其中二极管1 n 4 1 5 2 的作用是为电压值较大的信号短路，方便测试。测试的工具是用一个示波器， 选择1 0 、1 0 k q 的探头。 3 2 滤波电路的设计 3 2 1 滤波器的基本概念 滤波器就是可以滤除波动信号的电路，是无线通信系统中一个非常重要的 部分。按照滤波器的功能分，可以分为高通、低通和带通滤波器。 简单的滤波器主要是由数学理想化的电容和电感构成。这样的设计的滤波 器由于没有电阻又被称为无损耗滤波器，输入的功率在输出端都变成了有用功 率。但是在实际的电路中，往往是由损耗的。 低通滤波器就是让低于一定频率的信号可以通过，而高于这个频率的信号 1 6 第3 章无线发射电路的设计 就会有很大的衰减；高通滤波器和低通滤波器的作用正好相反，就是高于一定 频率的信号可以通过，低于这个频率的信号，会被衰减掉；带通滤波器就是只 有一定频率范围内的信号可以通过，其他的信号都会有很大的衰减。 3 2 2 巴特沃斯型低通滤波器的介绍 巴特沃斯型滤波器( b t t t e r - w o r t hf i l t e r ) 有时也称为瓦格纳滤波器( w a g n e r f i l t e r ) ，在现代的设计方法中比较著名的滤波器，因为它设计简单，性能上没有 明显的缺点，对构成滤波器的元件的q 值比较低，易于制作和达到设计性能， 所以得到了广泛的应用【2 7 】。图3 2 和图3 3 是巴特沃斯型滤波器的截止频率曲线 图。 图3 2 巴特沃斯型低通滤波器的衰减特性 频率 图3 3 巴特沃斯型低通滤波器截止频率附近的衰减特性 1 7 第3 章无线发射电路的设计 非 m = 鏊蓑瓣 7 ， 厶一) 2 等 3 8 ) c ( 脚) 2 等 q 9 ) 1 8 第3 章无线发射电路的设计 c ( 1 r 。w ) - - - - c ( 3 训= 瓦0 蕊6 1 蔽8 0 3 丽= 9 7 7 4 2 胛 c ( 2 删2 瓦蒜。3 1 。6 3 0 3 舻 ，待设计滤波器特征阻抗 5 0 q ，、 一 基准滤波器的特征阻抗l q c ( 1 n e w ) - - c ( 3 n e w ) 一- - 丁9 7 7 4 2 n f = o 1 9 5 8 4 腰= 1 9 5 8 4 矿 c ( 2 训：31 6 3 - 0 3 一n f ：0 6 3 2 6 0 6 n f ：6 3 2 6 0 6 p f l ( 2 n 一) 2 虿了一2 2 0 j 厶 ， 图3 55 阶特征阻抗为5 0q ，截止频率为1 0 7 m 的 巴特沃斯型低通滤波器模型 3 3 振荡器的设计 振荡器是任何通信系统的重要组成部分，是无线电接收机、电视机中的最 常见的一个部件。例如在移动通信系统中的发射机和接收机中的高频振荡器； 各种m c u 、c p u 中的时钟信号；和有些测量工具中的基准信号，都是离不开 振荡器的。在无线通信系统中，最常用的是正弦波振荡器和方波振荡器，正弦 波在通信系统中主要在通信系统当载波使用。而方波振荡器主要在数字电路中 1 9 第3 章无线发射电路的设计 使用，如数字电路中方波的脉冲调制，c p u ，m c u 等电路中的时钟源，数字信 号也是由方波的高低电平组成的。下面主要对正弦波振荡器和方波振荡器的工 作原理、电路的组成、以及分析方法和基本设计方法进行讨论，我在自己设计 电路中应用的振荡器进行详细的分析和说明。 3 3 1 放大器和振荡器的关系 从能量的分析方法，都是在放大电路中加选频网络，从选频网络中正反馈 到放大器的输入端，这样就能够把直流信号的能量转换为交流信号的能量，供 电路使用。基本原理和放大器的交流放大时相同的。所以，正弦波振荡器就是 一种不需要外加信号，自动将电路的直流分量转换为交流分量的，并且交流分 量的频率和幅度是稳定的。所以正弦波振荡器也是一种反馈的放大器，只是反 馈回路的频率是稳定的。图1 就是一种基本的正弦波调谐放大器，如果反馈的u 与玑等频率，等相位，就可以使u ，取玑的一部分，然后反馈到输入端，代替 图中的玑，称为图2 中所示的电路，就构成了一个变压器耦合的振荡器。 图3 7 是一个反馈型振荡器的基本方框图，是由高频放大器、谐振网络和 反馈回路构成。在图中，把高频放大器和谐振网络连起来，就是一个高频谐振 放大器，反馈网络由一般由反馈电感线圈和电容组成。谐振网络谐振时，三极 管的集电极等效为一个尺。，根据电路图反馈线圈同名端的连接可知，u ，和既是 同相，所以该反馈是正反馈。基本放大器、选频网络和反馈网络，构成了一个 闭环的正反馈。 a 图3 5 调谐放大器 0 图3 6 反馈振荡器 第3 章无线发射电路的设计 图3 7 反馈振荡器的基本框图 3 3 2 振荡的建立与稳定 反馈型振荡器，通电后的振荡电路不会立即工作起来，震荡波形不会马上 成设计的交流电压出来。震荡电压的出现中间要经过一个从无到有，从小到大， 再逐步稳定的过程。震荡电压逐渐增大到一个稳定时，电路才输出幅度和频率 的稳定不变的正弦电压。 振荡电路的起振过程。在放大电路中存在着各种干扰和噪音，这些都是不 可以避免的。当震荡电路开关闭合的瞬间，会产出一个电压和电流的突变脉冲。 从频域分析可知，这些脉冲中的频域是连续的，包含了连续的谐波成分的正弦 分量。由于选频电路有选频特性，当这些信号中的频率厶和选频网络的谐振频 率相同时，选频网络把这个谐波分量反馈到电路的输入回路中，这样经过放大 器的放大后，这个谐波会比开始的电压幅度要大，然后再反馈到输入回路，这 循环下去，幅度不断的增长，于是自激震荡就建立了起来。 振荡电路的稳幅过程分析。在振荡电路起步到振幅逐步放大，但是不可能 会无限的增大。因为放大器的非线性因素，振荡电路的振幅减小，使振荡电路 稳定到某一个固定的值，稳定下来。在实践中，常常加入电路来稳定幅度。 假设放大电路的放大系数和电路的反馈系数无关，在振荡电路建立的过程 中，以逐渐变大，u ，等于u 也在逐渐变大，放大电路从线形区往非线性区过 度，当放大电路进入非线性去后，电路的电压放大倍数会降低，当u 等于玑时， 电路进入平衡状态。当三极管工作到非线