15W调频发射机功率放大器

通信电子电路 课程设计报告 学 号 200803034228 姓 名 黎维银 学 院 华北科技学院 专 业 通信工程 班 级 通信 B082 班 指导教师 安晶 华北科技学院毕业设计 论文 1 目 录 摘 要 2 1 实验目的 3 2 主要内容 3 3 基本要求 3 4 原理及原理图 4 4 1 电路基本原理 4 4 2 高功放性能分析 8 4 3 谐振功率放大器的动态特性 8 4 4 功率放大器的负载特性 9 4 5 放大器工作状态的调整 12 5 方案设计与论证 16 5 1 方案论证 16 5 2 方案设计 17 5 2 1 丙类功放的参数计算 17 5 2 2 总电路图 18 5 2 3 放大部分 18 5 2 4 LC 调频振荡部分 19 5 2 5 防干扰部分 19 6 元件选择 20 7 电路的调试 20 8 仿真 21 15W 调频发射机高频功放电路 2 9 心得体会 24 10 参考文献 25 华北科技学院毕业设计 论文 3 题目 15W调频发射机功率放大器 摘 要 高频功率放大器是发送设备的重要组成部分之一 通信电路中 为 了弥补信号在无线传输过程中的衰耗要求发射机具有较大的功率输出 通信距离越远 要求输出功率越大 在高频范围内 为了获得足够大的 高频输出功率 就要采用高频功率放大器 由于高频功率放大器的工作 频率高 相对频带窄 所以一般采用选频网络作为负载回路 本次课设报告先是对高频功率放大器有关理论知识作介绍 在性能 指标分析基础上进行单元电路设计最后设计出整体电路图 在软件中仿 真验证是否达到技术要求 对仿真结果进行分析 最后总结课设体会 1 实验目的 1 1 清楚丙类放大器的工作原理掌握丙类放大器的计算与设计方法 1 2 弄清楚电源电压和集电极负载对调频发射机功率放大器功率和 效率的原理 1 3 培养独立思考和动手能力 2 主要内容 利用所学的高频电路知识 设计一个调频发射机功率放大器 通过 本次电路设计 掌握调频发射机功率放大器的设计方法 电路调谐及测 试技术 加深对高频电子线路课程理论知识的理解 提高电路设计及电 子实践能力 15W 调频发射机高频功放电路 4 3 基本要求 设计一个调频发射机功率放大器 主要技术指标为 1 工作中心频率约为 98MHZ 2 输出功率 PO 15W 3 负载电阻 RL 50 欧 4 效率大于 50 4 原理及原理图 4 1 电路基本原理 高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效 率高 但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大 决定了他们之 间有着本质的区别 低频功率放大器的工作频率低 但相对频带宽度却 很宽 例如 自 20 至 20000 Hz 高低频率之比达 1000 倍 因此它们 都是采用无调谐负载 如电阻 变压器等 高频功率放大器的工作频率 高 由几百 kHz 一直到几百 几千甚至几万 MHz 但相对频带很窄 例如 调幅广播电台 535 1605 kHz 的频段范围 的频带宽度为 10 kHz 如中心频率取为 1000 kHz 则相对频宽只相当于中心频率的百分 之一 中心频率越高 则相对频宽越小 因此 高频功率放大器一般 都采用选频网络作为负载回路 由于这后一特点 使得这两种放大器所 选用的工作状态不同 低频功率放大器可工作于甲类 甲乙类或乙类 限于推挽电路 状态 高频功率放大器则一般都工作于丙类 某些特 殊情况可工作于乙类 通常把集电极电流导通时间相对应的角度的一半称为集电极电流的 到通角 当导通角等于 表示管子在整个周期全导通 叫做放大器 180 华北科技学院毕业设计 论文 5 工作在甲类 当其等于表示管子半个周期内导通 叫做放大器工作 90 在乙类 当其小于表示管子导通不到半个周期 叫做放大器工作在 90 丙类 电流导通角越小放大器的效率越高 丙类谐振功率放大器原理图 如图4 1所示 图 4 1 谐振功率放大器的基本电路 谐振功率放大器的特点 1 放大管是高频大功率晶体管 能承受高电压和大电流 2 输出端负载回路为调谐回路 既能完成调谐选频功能 又能实现 放大器输出端负载的匹配 3 基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压 使电路工作在丙类状 态 4 输入余弦波时 经过放大 集电极输出电压是余弦脉冲波形 晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开 关控制作用 谐振回路 LC 是晶体管的负载 功率放大器各分压与电流 的关系如图 4 2 所示 15W 调频发射机高频功放电路 6 图 4 2 功率放大器各分压与电流关系 由于晶体管工作在丙类状态 晶体管集电极电流是一个周期性的余 弦脉冲 由傅立叶级数可知 一个周期性函数可以分解为许多余弦波 或正弦波 的叠加 可以将电流分解为 cos 2coscos 210 tnItItIIti cnmmcmccc 4 1 cnmmcmcc IIII 210 华北科技学院毕业设计 论文 7 分别为集电极电流的直流分量 基波分量以及各高次谐波分量的振幅 图4 3 iC t 各次谐波的波形示意图 在对谐振功率放大器进行分析与计算时 关键在于直流分量和基波 分量等前面几项利用周期函数傅立叶级数的公式 可以求出式 4 1 直流分量及各次谐波分量 下面仅列出前面几项的表达式 max cco iI 1max1 cmc iI 2max2 cmc iI 3max3 cmc iI 只要知道电流脉冲的最大值和通角即可计算出直流分量 基波分 量及各次谐波分量 各次谐波分量变化趋势是谐波次数越高 其振幅 越小 因此 在谐振放大器中只需研究直流功率及基波功率 放大器集 电极直流电源提供的直流输入功率为 0cCCDC IUP 谐振功放集电极输出回路输出功率等于基波分量在谐振电阻RP上的功率 15W 调频发射机高频功放电路 8 为 p cm p cm cmcm R U RIUIP 2 1 2 10 2 1 2 1 2 1 集电极的功耗为 oDCC PPP 放大器集电极能量转换效率等于输出功率与电源供给功率之比 2 1 2 1 2 1 1 0 11 g UI UI P P ccco cmc DC o 其中 CC cm U U 0 1 1 g 甲类状态 0 0 50 180 c 乙类状态 0 0 5 78 90 c 丙类状态 0 0 89 60 c 工作在丙类状态时 效率最高 4 2 高功放性能分析 高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态 不能用线性等效电 路分析 工程上普遍采用解析近似分析方法 折线法来分析其工作 原理和工作状态 4 3 谐振功率放大器的动态特性 高频放大器的工作状态是由负载阻抗 激励电压b 供电电压 p R 华北科技学院毕业设计 论文 9 等4个参量决定的 为了阐明各种工作状态的特点和正确调节放 BBCCV V 大器 就应该了解这几个参量的变化会使放大器的工作状态发生怎样的 变化 4 4 功率放大器的负载特性 如果 3个参变量不变 则放大器的工作状态就由负载电 CC V BB V b v 阻决定 此的负载特性 电压 电流随负载变化波形如图4 4所示 p R 图 4 4 电压 电流随负载变化波形 放大器的输入电压是一定的 其最大值为 在负载电阻RP由 maxbe V 小至大变化时 负载线的斜率由小变大 如图中1 2 3 不同的负载 15W 调频发射机高频功放电路 10 放大器的工作状态是不同的 所得的波形 输出交流电压幅值 功率 c i 效率也是不一样的 临界状态时负载线和eb max正好相交于临界线的拐点 放大器工作 在临界线状态时 输出功率大 管子损耗小 放大器的效率也就较大 欠压状态 时B点以右的区域 在欠压区至临界点的范围内 根据 放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻RP的增大而 1cpc IRV 增大 其输出功率 效率的变化也将如此 过压状态时放大器的负载较大 在过压区 随着负载的加大 p R IC1要下降 因此放大器的输出功率和效率也要减小 根据上述分析 可以画出谐振功率放大器的负载特性曲线如图1 5 所示 欠压状态的功率和效率都比较低 集电极耗散功率也较大 输出电 压随负载阻抗变化而变化 因此较少采用 但晶体管基极调幅 需采用 这种工作状态 过压状态的优点是 当负载阻抗变化时 输出电压比较平稳且幅值 较大 在弱过压时 效率可达最高 但输出功率有所下降 发射机的中 间级 集电极调幅级常采用这种状态 华北科技学院毕业设计 论文 11 图4 5 谐振功率放大器的负载特性曲线 4 5 放大器工作状态的调整 调整欠压 临界 过压三种工作状态 大致有以下几种方法 改变 集电极负载 改变供电电压 改变偏压 改变激励 改变 p R CC V BB V b v 但不变 当负载电阻Rp由小至大变化时 放大器的工作状 p R CCBBb VVV 态由欠压经临界转入过压 在临界状态时输出功率最大 改变 但 CC V 15W 调频发射机高频功放电路 12 不变 当集电极供电电压由小至大变化时 放大器的工 p R b V BB V CC V 作状态由过压经临界转入欠压 Vcc变化时对工作状态的影响如图4 6所 示 图4 6 Vcc变化是对工作状态的影响 在过压区中输出电压随改变而变化的特性为集电极调幅的实现 CC V 提供依据 因为在集电极调幅电路中是依靠改变来实现调幅过程的 CC V 改变时 其工作状态和电流 功率的变化如图4 7所示 CC V 华北科技学院毕业设计 论文 13 图4 7 改变VCC时工作状态和电流 功率的变化 15W 调频发射机高频功放电路 14 不变 变化 当自0向正值增大时 使集电极电流 bCCBB VVV bm V bm V 脉冲的高度和宽度增大 放大器的工作状态由欠压进入过压状态 当Vbm 自0向正值增大时 使集电极电流脉冲的高度和宽度增大 放大器的工 作状态由欠压进入过压状态 谐振功放的放大特性是指放大器性能随 变化的特性 其特性曲线如图4 8所示 bm V 图4 8 变化的特性 bm V 所设计功率放大器可将功率 1 2W 88 108MHZ 调频发射机的功率扩 展至于 10 15W 采用单管丙类放大及多级低通滤波器组成 具有较高 的转换效率及很强的诣波抑制能力 华北科技学院毕业设计 论文 15 电路如图所示 采用大功率发射管 C1972 其参数如下 175MHZ 4A 25W 功率增益 8 5db 按图所示参数 电路工作中心频 率约为 98MHZ 输入约 2W 的射频功率时 额定输出可达 15W 为保 88 108MHZ 内的任一频点时输出达到额定值 可根据前级的中心频率对部 分元件作适当调整 必要时 可减少低通波波器级数 以增大输出功率 经发展后的功率信号由三级低通滤波器滤去高次诣波成份馈入了发射天 线 5 方案设计与论证 5 1 方案论证 在 低频电子线路 课程中已知 放大器可以按照电流导通角的 不同 将其分为甲 乙 丙三类工作状态 甲类放大器电流的流通角为 适用于小信号低功率放大 乙类放大器电流的流通角约等于 360 丙类放大器电流的流通角则小于 乙类和丙类都适用于大功 180 180 率工作 丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者 高频功 率放大器大多工作于丙类 但丙类放大器的电流波形失真太大 因而只 能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大 由于调谐回路具有滤波 能力 回路电流与电压仍然极近于正弦波形 失真很小 15W 调频发射机高频功放电路 16 工作在丙类状态的谐振放大器 其作为功放输出级最好能工作在临 界状态 因为此时输出交流功率最大 效率也较高 一般认为此工作状 态为最佳工作状态 5 2 方案设计 5 2 1 丙类功放的参数计算 确定功放的工作状态丙类高频功率放大器可工作在欠压状态 过 压状态和临界状态 因欠压状态效率低 而过压状态严重失真 谐波分 量大 为尽可能兼顾输出大功率 高效率 一般选用临界状态 其电流 流通角在范围 c 900600 现设 在晶体管功率放大器中 可以通过改变激励电压 c 70 基极偏压 集电极负载 集电极直流供电电压来改变放大器的工作状态 集电极电流余弦脉冲直流分解系数 集电极电流 co I25 0 70 0 余弦脉冲基波分解系数 设功放的输出功率为 1cm I44 0 70 1 0 5W 功率放大器集电极的等效电阻为 5 152 5 18 13 2 22 o CECC p P VV R 集电极基波电流振幅为 A 45 2 5 15 2 1 2 1 1 p o cm R P I 集电极电流脉冲的最大振幅为 华北科技学院毕业设计 论文 17 A 57 5 44 0 45 2 70 1 1 max cm I I 集电极电流脉冲的直流分量为 A 4 125 057 5 70 0max cco II 电源提供的直流功率为 WIVP coCCD 32 194 1 8 13 集电极的耗散功率为 32 4 1532 19 ODC PPP 集电极的效率为 0 0 6 77 32 19 15 D O P P 满足设计要求 5 2 2 总电路图 5 2 3 放大部分 15W 调频发射机高频功放电路 18 图5 1 放大部分 这部分电路是为了通过 这几个可变来调节输入与输 11 C 13 C 15 C 出的频率 还可以调节其工作再合适的丙类工作状态 C1972三极管来 放大电流 从而增大功率 5 2 4 LC调频振荡部分 图5 2 LC调频振荡部分 此部分是进一步从得到杂乱信号中 利用振荡器的选频 滤波作用 滤除高频部分 得到所需稳定频率的低频部分 这里利用了三级振荡具 有较高的转换效率及很强的诣波抑制能力 5 2 5 防干扰部分 华北科技学院毕业设计 论文 19 图5 3 防干扰部分 这部分电路能滤除集电极的交流电流 让其不能到达 从而干 CC V 扰 避免影响静电流方面的功能 从而能得到稳定的静态工作点 CC V 6 元件选择 除电解电容外 其它用高频瓷片电容器 C11 C12 C14用高频特性 好 性能稳定的可调电容 扼流电RFC1 RFC2用成品电感器 必须注 意RFC2的电流承载能力 应选用线径较粗的带磁心的电感器 L1 L6可 用 0 8mm的高强度漆包线制 直径约5MM 圈数图中以 T 为单位标明 Q1用普通Q9插座 与插头配套使用 Q2用专用50 射频输出接头 接解 电阻更小 更有利于阻抗匹配 功率放大管用比较常见的发射专用管 C1972 当然如果您银子特别充足 买块C2538等高增益管的话 功率 将会更大 7 电路的调试 调试电路时 务必注意因电路功率大 一定要接上假负载 本人 用30支1W 1500 高精度金属膜电阻并联制成 并且要有足够在的散 热装置 正常工作时电源功率不低于2 5A 天线阻抗严格等于50 不 能用短棒拉杆天线 否则强烈的射频回馈电流将使电路造成自身干扰 大部分射频能量无法辐到空间而消耗在功率管上 使其过热损坏 必须 通过50 发射专用同轴电览引到室外天线发射 电路能否正常工作关键 15W 调频发射机高频功放电路 20 在于电路的调试 整个过程都得十分小心 调试时 只输入较小的激励 功率 电源电压下降为9V 用高频电压表 不能用普通万用表 监测假 负载两端高频电压值 调节 C12 C14 L3 L4 L5 L6 使电压幅度达 15 20V左右 再调节C11 L1使电压最大 然后逐步提高电压 每提高 一次电压都反复调整 C12 C14和C11 L1使输出端电压最高 注意的是电 压应与射频输入激励功率同步增大 以保证调试结果的准确性 达到额 定值时 电源电压13 8V 下工作电流约2A左右 50 纯电阻假负载两端 电压 40V 射频输出功率达15W 用该射频功率放大器配合50 伞状全向垂直发射天线 增益约2dB 以普通调频收音机测试 发射距离覆盖面不少于15Km 8 仿真 三极管基极波形 如图8 1 这图表明输入端电信号源 结构 参 数合理 可以为以后电路提供正确信号 这是进行检测电路的步骤 华北科技学院毕业设计 论文 21 图8 1 调节部分波形 如图8 2 这部分的电路波形表明调节部分调节成 功 得到正确的参数 15W 调频发射机高频功放电路 22 图 8 2 华北科技学院毕业设计 论文 23 最后波形 如图8 3 这是最后输出波形 表明我们整体电路结构 及参数正确合理 图 8 3 15W 调频