新调频发射机功率放大器2Word文档格式.docx
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4、功率放大器的负载特性
5、放大器工作状态的调整
五、方案设计与论证
1、方案论证
2、方案设计
2.1、丙类功放的参数计算
2.2、总电路图
2.3、放大部分
2.4、LC调频振部分
2.5、防干扰部分
六、元件选择：
七、电路调试：
八、仿真
九、心得体会
十、参考文献
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。
一、实验目的：
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
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
3培养独立思考和动手能力。
二、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。
三、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%。
四、原理及原理图
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20000Hz，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（535－1605kHz的频段范围）的频带宽度为10kHz，如中心频率取为1000kHz，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180，表示管子在整个周期全导通，叫做放大器工作在甲类，当其等于90表示管子半个周期内导通，叫做放大器工作在乙类，当其小于90表示管子导通不到半个周期，叫做放大器工作在丙类。
。
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1-1所示。
图1-1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1-2所示。
图1-2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
（5-4）
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1-3iC（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（5-4）直流分量及各次谐波分量
下面仅列出前面几项的表达式
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
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上的功率为
集电极的功耗为
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
其中
甲类状态，
乙类状态，
丙类状态，
工作在丙类状态时，效率最高。
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。
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Rp、激励电压b、供电电压
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。
如果
、
3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻Rp决定。
此的负载特性。
电压、电流随负载变化波形如图1-4所示。
图1-4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，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、效率也是不一样的。
临界状态时负载线和ebmax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Rp的加大，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。
图1-5谐振功率放大器的负载特性曲线
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Rp；
改变供电电压
；
改变偏压
改变激励
改变
，但
不变当负载电阻Rp由小至大变化时，放大器的工作状态由欠压经临界转入过压。
在临界状态时输出功率最大。
不变当集电极供电电压VCC由小至大变化时，放大器的工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1-6所示：
图1-6Vcc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。
时，其工作状态和电流、功率的变化如图1-7所示。
图1-7改变VCC时工作状态和电流、功率的变化
不变，
变化。
当
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。
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1-8所示。
图1-8
变化的特性
15W的调频发射机功率放大电路
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。
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。
经扩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。
5.1、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360度，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180度；
丙类放大器电流的流通角则小于180度。
乙类和丙类都适用于大功率工作。
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。
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600—900范围。
现设
=70。
在晶体管功率放大器中，可以通过改变激励电压、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
，集电极电流余弦脉冲基波
，。
设功放的输出功率为0.5W。
功率放大器集电极的等效电阻为：
集电极基波电流振幅为：
集电极电流脉冲的最大振幅为
集电极电流脉冲的直流分量为：
电源提供的直流功率为：
集电极的耗散功率为：
集电极的效率为：
满足设计要求
5.2.2、总电路图
5.2.3、放大部分
这部分电路是为了通过C11、C13、C15这几个可变来调节输入与输出的频率，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
这部分电路能滤除集电极的交流电流，让其不能到达VCC，从而干扰VCC，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。
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，扼流电感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ø
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50Ω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。
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、1500Ω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50Ω，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50Ω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，50Ω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50Ω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。
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
通过这次的高频课设，加深了对电子电路理论知识的理解，并锻炼了实践动手能力，具备了高频电子电路的基本设计能力和基本调试能力，能够正确的使用实验仪器。
回顾起此次高频课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
这次实验也锻炼了我独立思考的能力，由于参数的计算有点复杂，需要自己独立思考各个参数的意义和各个参数之间的联系，这就要我在设计过程中必须认真思考，还不能马虎，否则，算出来的可能就是错误答案。
而参数不对，也将会直接影响到实验的结果。
现代科学技术的飞速发展，改变了人类的生活。
作为新世纪的大学生，应当站在时代发展的前列，掌握现代科学技术知识，调整自己的知识结构和能力结构，以适应社会发展的要求。
新世纪需要既有丰富的现代科学知识，能够独立解决面临的任务，充满活力，有创新意识的新型人才。
对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。
让我知道了学无止境的道理。
我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。
挫折是一份财富，经历是一份拥有。
这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！
十、参考文献
[1]《电子线路设计·
实验·
测试》第三版，谢自美主编，华中科技大学出版社
[2]《高频电子线路实验与课程设计》，杨翠娥主编，哈尔滨工程大学出版社
[3]《高频电路设计与制作》，何中庸译，科学出版社
[4]《模拟电子线路》Ⅱ，谢沅清主编，成都电子科大出版社
[5]《高频电子线路》第三版，张肃文主编，高教出版社
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