小功率调频发射机设计

1 高频电子电路设计小功率调频发射机设计 学习要求掌握调频发射机整机电路的设计与调试方法 以及高频电路的调试中常见故障的分析与排除 学会如何将高频单元电路组合起来实现满足工程实际要求的整机电路的设计与调试技术 2 一 调频发射机及其主要技术指标 1 组成框图 3 一 调频发射机及其主要技术指标 2 主要技术指标 发射功率一般是指发射机输送到天线上的功率 总效率发射机发射的总功率与其消耗的总功率P C之比 称为发射机的总效率 非线性失真要求调频发射机的非线性失真系数 应小于1 杂音电平杂音电平应小于 65dB 工作频率或波段发射机的工作频率应根据调制方式 在国家或有关部门所规定的范围内选取 4 二 单元电路设计与调试 整机电路的设计计算顺序一般是从末级单元电路开始 向前逐级进行 而电路的装调顺序一般从前级单元电路开始 向后逐级进行 5 1 1 LC正弦波振荡器 其中 晶体管T L1 C1 C2 C3组成电容三点式振荡器的改进型电路即克拉泼电路 接成共基组态 CB为基极耦合电容 其静态工作点由RB1 RB2 RE及RC所决定 即由公式 4 2 1 4 2 4 决定 ICQ一般为 1 4 mA ICQ偏大 振荡幅度增加 但波形失真加重 频率稳定性变差 L1 C1与C2 C3组成并联谐振回路 其中C3两端的电压构成振荡器的反馈电压 以满足相位平衡条件Sj 2np 比值C2 C3 F 决定反馈电压的大小 反馈系数F一般取1 8 1 2 为减小晶体管的极间电容对回路振荡频率的影响 C2 C3的取值要大 如果选C1 C2 C1 C3 则回路的谐振频率fo主要由C1决定 即 6 1 2 变容二极管调频 调频电路由变容二极管DC及耦合电容Cc组成 R1与R2为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压VQ 电阻R3称为隔离电阻 常取R3 R2 R3 R1 以减小调制信号v 对VQ的影响 C5与高频扼流圈L2给v 提供通路 C6起高频滤波作用 变容二极管DC通过Cc部分接入振荡回路 有利于提高主振频率fo的稳定性 减小调制失真 图4 2 2为变容二极管部分接入振荡回路的等效电路 接入系数p及回路总电容CS分别为 Cj 7 变容二极管的Cj v特性曲线 图4 2 3变容二极管的Cj v特性曲线 变容二极管的Cj v特性曲线如图4 2 3所示 设电路工作在线性调制状态 在静态工作点Q处 曲线的斜率为 8 1 3 LC调频振荡器主要性能参数及其测试方法 主振频率LC振荡器的输出频率fo称为主振频率或载波频率 用数字频率计测量回路的谐振频率fo 高频电压表测量谐振电压vo 示波器监测振荡波形 频率稳定度主振频率fo的相对稳定性用频率稳定度表示 最大频偏指在一定的调制电压作用下所能达到的最大频率偏移值 将称为相对频偏 9 变容二极管特性曲线特性曲线Cj v如图4 2 3示 性能参数VQ Cj0 及Q点处的斜率kc等可以通过Cj v特性曲线估算 图4 2 4是变容二极管2CC1C的Cj v曲线 由图可得VQ 4V时CQ 75pF 10 调制灵敏度单位调制电压所引起的最大频偏称为调制灵敏度 以表示 单位为kHz V 即 为调制信号的幅度 为变容管的结电容变化时引起的最大频偏 回路总电容的变化量为 在频偏较小时 与的关系可采用下面近似公式 即 p f f 11 为静态时谐振回路的总电容 即 C1 f 调制灵敏度 为回路总电容的变化量 式中 调制灵敏度可以由变容二极管Cj v特性曲线上VQ处的斜率kc及式 4 2 15 计算 越大 说明调制信号的控制作用越强 产生的频偏越大 12 1 4 设计举例 例设计一LC高频振荡器与变容二极管调频电路 振荡器的静态工作点取 测得三极管的由式 4 2 1 式 4 2 4 计算出各电阻值 主要技术指标主振频率fo 5MHz 频率稳定度 5 10 4 小时 主振级的输出电压Vo 1V 最大频偏 已知条件 VCC 12V 高频三极管3DG100 变容二极管2CC1C 1 确定电路形式 设置静态工作点 13 2 计算主振回路元件值 由式 4 2 5 得 若取C1 100pF 则L1 10 H实验中可适当调整L1的圈数或C1的值 电容C2 C3由反馈系数F及电路条件C1 C2 C1 C3所决定 若取C2 510pF 由 则取C3 3000pF 取耦合电容Cb 0 01 F 14 3 测变容二极管的Cj v特性曲线 设置变容管的静态工作点VQ 本题给定变容二极管的型号为2CC1C 已测量出其Cj v曲线如图4 2 4所示 取变容管静态反向偏压VQ 4V 由特性曲线可得变容管的静态电容CQ 75pF 15 4 计算调频电路元件值 变容管的静态反向偏压VQ由电阻R1与R2分压决定 已知VQ 4V 若取R2 10k 隔离电阻R3 150k 为减小振荡回路高频电压对变容管的影响 应取小 但过小又会使频偏达不到指标要求 可以先取 然后在实验中调试 当VQ 4V时 对应CQ 75pF 则CC 18 8pf 取标称值20pF 16 5 计算调制信号的幅度 为达到最大频偏的要求 调制信号的幅度V m 可由下列关系式求出 由式 4 2 14 得 由Cj v曲线得变容管2CC1C在VQ 4V处的斜率 pF V 由式 4 2 9 得调制信号的幅度 V m Cj kc 0 92V 由式 4 2 12 得调制灵敏度Sf为 kHz V 17 1 5 调频振荡器的装调与测试 A 安装要点 电路元件不要排得太松 引线尽量不要平行 否则会引起寄生反馈 多级放大器应排成一条直线 尽量减小末级与前级之间的耦合 地线应尽可能粗 以减小分布电感引起的高频损耗 为减小电源内阻形成的寄生反馈 应采用滤波电容C 及滤波电感L 组成的 型或 型滤波电路 安装时应合理布局 减小分布参数的影响 18 b 测试点选择 正确选择测试点 减小仪器对被测电路的影响 在高频情况下 测量仪器的输入阻抗 包含电阻和电容 及连接电缆的分布参数都有可能影响被测电路的谐振频率及谐振回路的Q值 为减小这种影响 应使仪器的输入阻抗远大于电路测试点的输出阻抗 所有测量仪器如高频电压表 示波器 扫频仪 数字频率计等的地线及输入电缆的地线都要与被测电路的地线连接好 接线尽量短 19 C 调试方法 1 先调整静态工作点 3 测量频偏 加入幅度为V 的调制信号以后 可以采用频偏仪测量频偏 也可以用示波器测量C点的波形 观察波形在X方向的相移 2 观测动态波形并测量电路的性能参数 与低频电路的调试基本相同 所不同的是按照理论公式计算的电路参数与实际参数可能相差较大 电路的调试要复杂一些 20 2 高频功率放大器设计 利用宽带变压器作耦合回路的功率放大器称为宽带功率放大器 它不需要调谐回路 可在很宽的频率范围内获得线性放大 但效率 较低 一般只有20 左右 它通常作为发射机的中间级 以提供较大的激励功率 利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器 根据放大器电流导通角 的范围 可以分为甲类 乙类 丙类和丁类等功率放大器 丙类功放的电流导通角 90 效率可达到80 它通常作为发射机的末级 以获得较大的输出功率和较高的效率 一 电路的基本原理 21 2 1 电路的基本原理 晶体管T1与高频变压器Tr1组成宽带功率放大器 晶体管T2与选频网络L2 C2组成丙类谐振功率放器 22 1 宽带功率放大器 1 静态工作点 晶体管T1与RB1 RB2 RE1 RF组成的宽带功率放大器工作在甲类状态 其特点是 晶体管工作在线性放大区 其静态工作点的计算方法与低频电路相同 由关系式 4 3 1 4 3 4 确定 宽带功率放大器集电极的输出功率PC为PC PH T式中 PH为输出负载上的实际功率 T为变压器的传输效率 一般 T 0 75 0 85 2 高频变压器 23 1 宽带功率放大器 图4 3 2甲类功放的负载特性 图4 3 2是宽带功率放大器的负载特性 为获得最大不失真输出功率 静态工作点Q应选在交流负载线AB的中点 集电极的输出功率PC的表达式为 式中 R H为集电极等效负载电阻 Vcm为集电极交流电压的振幅 其表达式为 24 1 宽带功率放大器 3 功率增益 与电压放大器不同的是 功放应有一定的功率增益 对于图4 3 1所示电路 宽带功放要为下一级丙类功放提供一定的激励功率 必须将前级输入的信号进行功率放大 功率增益为AP PC Pi式中 Pi为功放的输入功率 它与功放的输入电压Vim及输入电阻Ri的关系为 25 2 丙类功率放大器 1 基本关系式 丙类功放的基极偏置电压 VBE是利用发射极电流的直流分量IE0 IE0 Ic0 在射极电阻RE2上产生的压降来提供的 故称为自给偏压电路 当放大器的输入信号vi为正弦波时 集电极的输出电流iC为余弦脉冲波 利用谐振回路L2C2的选频作用可输出基波谐振电压vC1 电流iC1 集电极基波电压的振幅 式中 IC1m为集电极基波电流的振幅 Rp为集电极负载阻抗 26 2 丙类功率放大器 集电极输出功率 直流电源VCC供给的直流功率 式中 IC0为集电极电流脉冲iC的直流分量 电流脉冲iC经傅立叶级数分解 可得峰值与分解系数 n 的关系式 27 2 丙类功率放大器 分解系数 n 与 的关系如图4 3 3所示 2 的值 在 60o时最大 即二次谐波的电流脉冲Icm2为最大值 而且效率 也比较高 28 2 丙类功率放大器 图4 3 4为功放管输入电压VBE与集电极电流脉冲iC的波形关系 由图可得 式中 Vj为晶体管导通电压 硅管约0 6V 锗管约0 3V VBm为输入电压 或激励电压 的振幅 VB为基极直流偏压 VB IC0 RE 当输入电压VBE大于导通电压时 晶体管导通 并工作在放大状态 则基极电流脉冲与集电极电流脉成线性关系 即满足 29 2 丙类功率放大器 功放的功率增益 或 如图4 3 1所示 丙类功放的输出回路采用变压器耦合方式 其作用一是实现阻抗匹配 将集电极的输出功率送至负载 二是与谐振回路配合 滤除谐波分量 集电极谐振回路为部分接入 谐振频率 或 30 2 丙类功率放大器 2 负载特性 当功放处于临界工作状态A点时 管子的集电极电压正好等于管子的饱和压降VCES 集电极电流脉冲接近最大值ICm 此时集电极输出的功率PC和效率都较高 对应的等效负载电阻 判断功放是否为临界工作状态的条件是 Vcc Vcm Vces 31 2 2 高频变压器的绕制 高频变压器的磁芯应采用镍锌 NXO 铁氧体 当用NXO 100环形铁氧体作高频变压器磁芯时 工作频率可达十几兆赫 其结构如图4 3 6所示 尺寸为外径 内径 高度 电感量L由下式计算 2 4 3 30 绕制高频变压器的漆包线一般选用线径为f0 31mm的漆包线 为减小线圈漏感与分布电容的影响 匝数应尽可能少 匝间距离尽可能大 绕稀一些 并绕得紧一些 32 2 3 主要技术指标及实验测试方法 输出功率高频功放的输出功率是指放大器的负载RL上得到的最大不失真功率 也就是集电极的输出功率 即 效率常将集电极的效率视为高频功放的效率 用h表示 当集电极回路谐振时 h的值由下式计算 功率增益功放的输出功率Po与输入功率Pi之比称为功率增益 用AP 单位 dB 表示 见式4 3 10 33 2 4 主要技术指标及实验测试方法 高频功放的测试电路 高频信号发生器提供激励信号电压与谐振频率 示波器监测波形失真 直流毫安表mA测量集电极的直流电流 高频电压表V测量负载RL的端电压 在集电极回路处于谐振状态时 放大器的输出功率可以由下式计算 PO RL VL2 Vom2 2RL 34 2 5 设计举例 P145 例设计一高频功放 已知条件 VCC 12V 晶体管3DG130 晶体管3DA1 主要技术指标输出功率Po 500mW 工作中心频率 效率 50 负载RL 51 35 2 6 高频谐振功率放大器的调整 1 谐振状态的调整 当出现回路失谐状态时 回路的等效阻抗将下降 这时集电极电压减小 集电极电流增大 集电极的耗散功率增加 严重时将损坏晶体管 为保证晶体管安全工作 调谐时 可以先将电源电压降低到规定值的 待找到谐振点后 再将升到规定值 然后微调回路参数 如图4 3 7所示 在回路谐振时 高频电压表的读数应达到最大值 直流毫安表的读数为最小值 示波器监测的波形为不失真基波 36 2 6 高频谐振功率放大器的调整 2 寄生振荡及其消除 1 参量自激型寄生振荡 当功放的输出电压足够大时 晶体管的许多参数 如集电结电容 将随着工作状态的变化而变化 产生许多新的频率分量存在于晶体管的输出和输入端 而形成自激振荡 图 a 为1 2基波的影响 图 b 为3倍频的影响 参量自激的特点是 必须在外加信号激励下才产生 因此断开激励信号观察振荡是否继续存在 是判断自激型寄生振荡的有效方法 参量寄生振荡使输出电压的峰值可能显著增加 比正常值大5倍 6倍 回路可能处于失谐状态 集电极的耗散功率会很大 有可能导致晶体管损坏 消除参量寄生振荡的常用办法是 在基极或发射极接入防振电阻 几欧姆至几十欧姆 或引入适当的高频电压负反馈 或降低回路的QL值 如果可能的话 减小激励信号电平 37 2 7 高频谐振功率放大器的调整 2 反馈型寄生振荡反馈型寄生振荡又分为低频寄生振荡与高频或超高频寄生振荡 图4 3 10分别为叠加有低频自激与高频自激信号的输出波形 低频寄生振荡一般是由功放输入输出回路中的分布电容引起的 消除低频寄生振荡的办法是设法破坏它的正反馈支路 例如减少基极回路线圈的电感量或串入电阻RF 降低线圈的Q值 高频寄生振荡一般是由电路的分布参数 分布电容 引线电感等 的影响所造成的 例如引线较长时 其产生的分布电感 使放大器原有的电感相当于开路 与电路中的分布电容构成了振荡回路 消除高频寄生振荡的有效办法是 尽量减少引线的长度 合理布局元器件或在基极回路接入防振电阻 38 三 整机设计举例 例设计一小功率调频发射机 已知 晶体管3DG100 b 60 主要技术指标发射功率 负载电阻 天线 工作中心频率f0 5MHz 最大频偏 总效率 39 三 整机设计举例 LC振荡与调频电路产生频率的高频振荡信号 变容二极管线性调频 最大频偏 发射机的频率稳定度由该级决定 缓冲隔离级将振荡级与功放级隔离 以减小功放级对振荡级的影响 缓冲隔离级常采用射极跟随器电路 末级功放将前级送来的信号进行功率放大 使负载 天线 上获得满足要求的发射功率 如果要求整机效率较高 则应采用丙类功率放大器 功率激励级为末级功放提供激励功率 如果发射功率不大 且振荡级的输出功率能够满足末级功放的输入要求 则功率激励级可以省去 2 增益分配功率增益如果集中在末级功放 则电路性能不稳 容易产生自激 因此要根据发射机各组成部分的作用 合理地分配功率增益 缓冲级可以不分配功率增益 设各级功率增益如图4 4 2所示 1 拟定发射机的组成方框图 40 四 整机电路的装调与测试 LC正弦波振荡电路 变容二极管调频电路 缓冲隔离级通过调节发射极电RP1 可以改变射极跟随器的输入阻抗 宽带功率放大器 丙类功率放大器 41 四 整机电路的装调与测试 电路的调试顺序为 先分级调整单元电路的静态工作点 测量其性能参数 然后再逐级进行联调 直到整机调试 最后进行整机技术指标测试 由于功放运用的是折线分析方法 其理论计算为近似值 此外单元电