[信息与通信]第三章无线电基础.ppt

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1、,多媒体教案,第三章 无线电发射机制作与测试,通信系统基本组成框图,高频功率放大器及调制,调制信号 放大器,调幅发送设备,在无线电发射机中，由于在发射机里的振荡器所产生的高频振荡功率很小，因此在它后面要经过一系列的放大缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的高频功率后，才能馈送到天线上辐射出去。这里所提到的放大级都属于高频功率放大器的范畴。由此可见，高频功率放大器是发送设备的重要组成部分。,具体调频波发送设备框图,信号发送出去条件:频率足够高 功率足够大,放大器广泛应用于无线电通信电路中。无线通信发射和接收机能正常的工作很大程度上都是放大电路的功劳。在发射机中，为了能将调制过的信号有效的

2、发射出去，必须要将信号的功率进行放大，而接收机接收到的信号都很微弱，为了能很好的解调还必须，进行调谐低噪声放大。这一节我们将介绍发射机中的两种放大器模块的制作，一种是缓冲放大器，另一种是谐振功率放大器。,3.1放大器模块制作与测试,3.1.1缓冲放大器模块制作,缓冲放大器的主要作用是为后级功放提供足够大的驱动功率,将后级功放与前级隔离开来,避免相互产生影响，兼有增加抗干扰能力。至于是否有放大功能取决于实际需要。可以将放大缓冲合二为一。,1.三极管隔离放大器,分压式偏置电路,共集电极放大电路,双栅场效应管隔离放大器,高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件用于发射机的末级，作用是将高频已调波

3、信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。,3.1.2谐振功率放大器模块的制作与测试,高频功率放大器的分类,窄带高频功率放大器：通常以具有选频滤波作用的谐振电路作为输出回路负载，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；为了提高效率，谐振功率放大器常工作于乙类或丙类状态。,宽带高频功率放大器：宽带高频功率放大器的输出电路负载则是采用传输线变压器或其他宽带匹配电路（非谐振负载），因此又称为非调谐功率放大器。其特点是可以实现功率合成.,一般来说可以将功率放大器依据工作状态不同分为三种，三种放大器的转

4、移特性如图3.1.1所示，其中QA、QB、QC分别是三种不同功率放大器的静态工作点，QB的电压坐标为uBE的门槛电压，记作Uon。QC的电压坐标为-UBB，晶体管的集电极电流波形也如图中所示，分别工作在全导通，半导通，和小于半导通的三种情况下。分别称它们为甲类，乙类和丙类功率放大器。,图3.1.1甲类、乙类和丙类放大电路转移特性比较,甲类静态有损耗：效率最低乙类静态无损耗：效率较高丙类静态无损耗动态时导通角大于时才有损耗：效率最高,为了提高谐振功率放大器的效率，通常都采用丙类功率放大器，因此这里只介绍丙类功放的制作。在丙类工作状态下，集电极电流的导通时间小于半个周期，集电极电流与输入信号之间存

5、在着严重的非线性失真，为了滤除非线性失真，其负载采用LC谐振网络，谐振负载的作用是：从失真的集电极电流脉冲中选出基波，滤除谐波，从而得到不失真的输出电压。,简单高频功率放大器,VBB基极负偏置：丙类工作状态VCC集电极偏置：提供集电极回路电流R1、L1、C1 谐振电路:选频、匹配对信号源频率谐振输入Vb：正弦波输出：与输入频率相同的正弦波,简单高频功率放大器输入输出电压仿真,结论：输出电压不失真放大,简单高频功率放大器输出电流仿真,1.高频功率放大器输入输出波形分析,ub,uBE,iB,iC,uCE,uC,_,+,uC,设输入电压ub=Ubmcosct，uBE=VBB+ub=VBB+Ubmco

6、sct,iB为一周期性余弦电流脉冲(见转移特性),iC,iB,谐振功率放大器的iB,通角如何计算?,通角=时,iB=0,iC=0,可称为半流通角或截止角（意即t=时，电流被截止）。为方便起见，以后将简称为通角。,iB为一周期性余弦电流脉冲iC=iB，可将集电极余弦电流脉冲iC按傅里叶级数分解为:iC=IC0+ic1+ic2+=IC0+Ic1mcosct+Ic2mcos2ct+由于回路对基频谐振，呈纯电阻RP，对其他谐波的阻抗很小，且呈容性，因此，只有基频电流与基频电压才能产生输出电压，因此 uc=-RPIc1mcosct=-Ucmcosct则 uCE=VCC+uc=VCC Ucmcosct由上

7、述分析可得谐振功率放大器的各极电压与电流波形如图所示。,图3.1.4 谐振功放各极电压与电流的波形,结论：输入输出电压不失真 电流失真,可由傅立叶级数分解得到，可以推出,2、谐振功率放大器的功率关系,等与 的关系见3.1.5图。,由图可以看出：谐波分量的次数越高，振幅越小；对于某次谐波，存在一通角使an()取得最大值；对于丙类谐功放，ao()和a1()都随的增加而增大，而波形系数g1()随的增加而减小；,图3.1.5 余弦脉冲的分解系数,输出功率：,直流电源提供功率：,PV=IC0 VCC晶体管的集电极耗散功率：Pc=PVPo放大器的集电极效率为：,功率关系,上式说明，越小，则效率c 越高。,

8、集电极电压利用系数,波形系数,但 越小，则功率P0 越小,矛盾,输出功率Po最大应选择通角为120，但此时效率C并不是最高。最佳通角取6575,例3.1.1 已知某谐振功率放大器Ucc=24V,Ico=250mA,Po=5W,电压利用系数=1，试求：直流功率Pv，效率，谐振电阻Rp,基波电流Icm1,通角,解：Pv=VccIco=24250=6W=Po/Pv=5/6=83.3%电压利用系数=1，则Ucm=vcc Rp=ucm2/2Po=242/(25)=57.6 Icm1=Ucm/Rp=24/57.6=0.42A g()=Icm1/Ico=0.42/0.25=1.68，也可采用g()=2/的关

9、系求得。由图3.1.5并查附录得=76,电路的工作原理改进图,实际功率放大器电路1,实际功率放大器电路2,共同特点:要求输出功率P大和效率高。但由于二者的工作频率和相对频带宽度相差很大，就决定了它们之间有着根本的差异：,低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。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MHz、几GHz甚至几十GHz），但相对频带很窄。采用调谐负载例如，低频自20至20,000 Hz，高低频率之比达l,000倍。宽带例如，调幅广播电台（5351,605 kHz的频段范围）的频带宽度为9 kHz，如中心频率取为900k

10、Hz，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。窄带,1.负载性质不同,高频功率放大器和低频功率放大器的区别,丙类谐振功率放大器的性能分析,在基极输入电压ub的作用下，VT将经历不同的工作区域，因此放大器将工作在不同的状态:当ub不大以致uBEUon时，VT将截止，当ub变大，管子VT将导通，如果ub 的振幅不太大，则VT导通时处于放大区，称丙类放大器工作于欠压状态；如果Ubm很大，VT导通时将从放大区进入饱和区，于是称丙类放大器工作在过压状态；如果Ubm的大小刚好使VT进入临界饱和，则称丙类放大器工作在临界状态；,

11、大信号的功放一般采用图解法分析：动态交流负载线由于负载为谐振的，因此集电极电压和电流波形不一样；交流负载线不再是直线红线,丙类谐振功率放大器的动态特性与负载特性,负载线的画法可根据工作点和斜率确定自行看书,uBE=VBB+Ubmcosct uCE=VccUcmcosct,负载特性,集电极调制特性,基极调制特性,高频功率放大器的工作状态取决于负载阻抗RP和电压VCC、VBB、Ubm四个参数。工作状态不同，放大器的输出功率、效率和管耗就大不相同。下面来了解工作状态随这几个参数而变化的情况。,放大特性,如果维持三个电压参数不变，那么工作状态就取决于RP。此时各种电流、输出电压、功率与效率等随RP而变

12、化的曲线，就叫负载特性。,负载阻抗RP越大，负载线的斜率gd绝对值越小。因此，放大器的工作状态随着负载的不同而变化。RP 增大时放大器的工作状态从欠压、临界到过压,负载特性,图3.1.7 三种工作状态,图3.1.8 谐振功放的负载特性,放大器的工作状态发生变化，电压电流功率效率都会有变化见图3.1.8,观察图3.1.7，在欠压区至临界线的范围内，当RP逐渐增大时，集电极电流脉冲的最大值以及流通角 的变化都不大。RP增加，仅仅使iC略有减小。因此，在欠压区内的iCmax(Ic1m、IC0)几乎维持常数，仅随RP的增加而略有下降。但进入过压区后，集电极电流脉冲开始下凹，而且凹陷程度随着RP的增大而

13、急剧加深，致使与Ic1m、IC0也急剧下降。再由Ucm=RPIc1m的关系式看出，在欠压区由于Ic1m变化很小，因此Ucm随RP的增加而直线上升。进入过压区后，由于Ic1m随RP的增加而显著下降，因此Ucm随RP的增加而很缓慢地上升。近似地说，欠压时Ic1m几乎不变，过压时Ucm几乎不变。因而可以把欠压状态的放大器当作一个理想电流源；把过压状态的放大器当作一个理想电压源。,图3.1.8 谐振功放的负载特性,直流输入功率 PV=IC0 VCC。由于VCC不变，因此PV曲线与IC0曲线的形状相同。交流输出功率 Po=UcmIc1m=。由图3.1.8看出，在临界状态，Po达到最大值。Rp最佳匹配负载

14、。这就是为什么我们在设计高频功率放大器时，如果从输出功率最大着眼，就应力求它工作在临界状态的原因。,集电极耗散功率 Pc=PVPo，由图，在欠压区内，当RP减小时，Pc上升很快。当RP=0时(强欠压工作状态)，Pc达到最大值，可能使晶体管烧坏。必须避免发生这种情况。效率=在欠压时，PV变化很小，所以随Po的增加而增加；到达临界状态后，开始时因为Po的下降没有PV下降快，因而继续增加，但增加很缓慢。随着RP的继续增加，Po因Ic1m的急速下降而下降，因而略有减小。由此可知，在靠近临界的弱过压状态出现最大值。,临界状态的优点是输出功率最大，也较高，可以说是最佳工作状态Ropt-最佳匹配电阻。这种工

15、作状态主要用于发射机末级。过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳；在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降。它常用于需要维持输出电压比较平稳的场合，例如发射机的中间放大级。欠压状态的输出功率与效率都比较低，而且集电极耗散功率大，输出电压又不够稳定，因此一般较少采用。,负载变化时三种工作状态的优缺点综合如下：,练习：谐振电路原来工作在临界状态，若输入信号频率突然增加，问电路工作状态如何变化？功率管是否安全？,一谐振功率放大器工作在临界状态，实测时发现P0 仅为设计值的，而IC0却略大于设计值。问放大器工作在什么状态？如何调整才能使P0和IC0 接近设计值,Vcc的变化对工作状态

16、的影响-集电极调制特性,当Rp、Ubm、UBB一定时，放大器的性能随Ucc改变，称为谐振功放的集电极调制特性，如图3.1.9所示。由图可见，当Ucc由小增大，放大器将历经过压、临界和欠压三种工作状态，在过压区随着Ucc的的增大，放大器逐渐靠近临界状态，直流分量Ico、基波分量幅度Icm、输出电压幅度Ucm迅速增大。在欠压区，随着Ucc的增大，Ico、Icm、Ucm变化不大。由此可见，工作在过压区的谐振功放，Ucc的变化可以有效地控制Ucm的变化，这就是集电极的调制特性。,集电极调幅,VCC减小，工作状态从欠压、临界到过压,集电极调制特性动画,Ubm的变化对工作状态的影响,当Rp、UCC、UBB

17、一定时，放大器的性能随Ubm改变，称为谐振功放的放大特性，如图3.1.10所示。由图可见，当Ubm由小增大，放大器将历经欠压、临界和过压三种工作状态，在欠压区Ucm随Ubm的增大而增大，为了提高放大特性的线性度，减小非线性失真，在电路结构上可以采用负反馈等措施。在过压区，Ubm在较大范围内变化，而放大器的输出幅度Ucm基本不变，所以工作在过压区的谐振功放就成了限幅器。,限幅,放大,欲想改变Ubm有效控制Ucm实现放大，则放大器应工作在欠压状态；它可以放大高频等幅波（载波、调频波、调相波）欲想改变Ubm，使Ucm基本不变实现限幅，则放大器应工作在过压状态。,当Ubm由小增大，放大器：欠压、临界到

18、过压,UBB的变化对工作状态的影响-基极调制特性VBB,基极调制特性,1、合适的工作点。高频谐振功率放大器工作在丙类,它的馈电线路除了保证集电极合适的工作电压外，还要保证基极偏置。2、负载是谐振回路。因此，交流等效电路还要考虑到负载是谐振回路，交流分量Icm1必须通过谐振回路，以获得交流信号的放大。3、高频谐振功率放大器工作在大电流状态，为了减少功耗，外电路应对直流Ico近似短路，但又不能对交流短路。4、外电路为保证输出波形不失真，应对高次谐波分量Icmn近似短路。,馈电原则：,谐振功放的馈电电路,5、在共射组态的电路中，电源的+、-端中必须有一端要接地，即与发射极相连-分布电容。,馈电原则：

19、,保证VCC、VBB全部加到管子上；电路尽可能少消耗高频信号功率。,读一读,谐振功率放大器的馈电电路,直流电流IC0是产生能量的源泉，它由VCC经管外电路输至集电极，应该是除了晶体管的内阻外，没有其他电阻消耗能量。因此要求管外电路对直流来说的等效电路如图2.41（a）所示。,基本组成原则,高频基波分量Ic1m应通过负载回路，以产生所需要的高频输出功率。因此，Ic1m只应在负载回路上产生电压降，其余的部分对于Ic1m来说，都应该是短路的。所以，对于Ic1m的等效电路应如图2.41（b）所示。,高频谐波分量，Icmn 是“副产品”，不应消耗功率（倍频器除外）。因此管外电路对Icmn 来说，应该尽可

20、能接近于短路，如图2.41（c）所示。,图2.41 集电极电路对不同频率电流的等效电路,不管是集电极电路还是基极电路，馈电方式都可以分为串联馈电与并联馈电。,图2.42 集电极电路的两种馈电形式,串馈：电子器件、负载回路和直流电源三部分是串联起来的。并馈:将这三部分并联起来。,LC是负载回路；C是高频旁路电容，C是隔直电容，它们对高频应呈现很小的阻抗，相当于短路。,图2.42 集电极电路的两种馈电形式,L是射频扼流圈（Radio Frequency Choke)，理论上它对直流是短路的，对高频则呈现很大的阻抗（开路），以阻止高频电流通过公用电源内阻产生高频能量损耗，特别是避免在各级之间由此而产

21、生的寄生耦合；,图2.42 集电极电路的两种馈电形式,串馈,晶体管、调谐回路、电源三者相串联；L为高频扼流圈，其感抗XL=WL比谐振电阻RP大一个数量级；C为高频旁路电容，对电源相当于开路，对信号频率相当于短路；为回路建立高频地电位。其容抗Xc=1/WC比谐振电阻RP小一个数量级；C上充有左负右正的电压Vcc；L,C构成滤波电路；,并馈,晶体管、调谐回路、电源三者相并；C为隔直电容，对直流开路，对信号频率短路；C上充有左正右负的Vcc；,对于基极电路来说，同样也有串馈与并馈两种形式。在实际电路中，工作频率较低或工作频带较宽的功率放大器往往采用互感耦合，可采用图2.43（a）的形式。对于甚高频段

22、的功率放大器，由于采用电容耦合比较方便，所以几乎都是用图2.43（b）的馈电形式。,图2.43 基极馈电的两种彤式,需要另外一组单独的负电源供电,在以上电路中，图2.44（a）、（b）是并馈，（c）是串馈。,图2.44 几种常用的产生基极偏压的方法,利用基极电流的直流分量IB0在基极偏置电阻RB上产生所需要的偏置电压VBB，如图2.44（a）所示。,利用基极电流在基极扩散电阻rbb上产生所需要的VBB，如图2.44（b）所示。由于rbb很小，因此所得到的VBB也小，且不够稳定。因而一般只在需要小的VBB（接近乙类工作）时，才采用这种电路。,利用发射极电流的直流分量IE0在发射极偏置电阻Re上产

23、生所需要的VBB（c）所示。这种自给偏置的优点是能够自动维持放大器的工作稳定。当激励加大时，IE0增大，使偏压加大，因而又使IE0的相对增加量减小；反之，当激励减小时，IE0减小，偏压也减小，因而，IE0的相对减小量也减小。这就使放大器的工作状态变化不大。,小结,不管是集电极电路还是基极电路，馈电方式都可以分为串联馈电与并联馈电。输入回路和输出回路必须满足电压方程 uCE=VCC uc=VCC Ucmcosct uBE=VBB+ub=VBB+Ubmcosct集电极电路和基极电路必须有各自直流通路,滤波匹配网络,在高频功率放大器中，为了获得较大的输出功率和效率，需要采用输出滤波匹配网络。,常见匹

24、配网络,电阻变小匹配电路,电阻变大匹配电路,(a)T型阻抗匹配,（b）型阻抗匹配,例:已知某电阻性负载为10，请设计一个匹配网络，使该负载在20MHz时转换为50。,【设计案例】3.2 丙类谐振功率放大器模块制作,1、设计指标 输出功率Po1W效率c65%功率增益AP15dB 中心工作频率f0=30MHz1%；通频带fbw 2MHz 谐波辐射总功率Pn50mW 天线等效阻抗rA=502、任务要求：完成原理图设计、元器件参数计算、元器件选型、电路装接与调试、电路性能检测、设计文档编写（设计报告格式见附录B，标准电路图纸格式见附录C）。,建议该内容选讲可让学生自学或只介绍电路各部分的作用,电路组成

25、结构设计缓冲放大部分的作用是为功率放大器提供足够大的驱动功率，同时隔离功放对载波信号产生电路的影响；LC滤波器的作用是滤除回路中的谐波分量，并要求有一合适的通频带范围；LC匹配电路的作用是将天线阻抗变换为功放输出回路所要求的匹配阻抗，以达到最佳放大和高效率的效果，同时兼有一定的滤波作用；丙类放大是为了提高效率。,图中：C1、C2、C4与C7均为耦合电容，取C1=C2=C4=C7=0.01F。Cp为电源去耦电容，取Cp=0.01F。L1,C3为输入选频电路。L2、C5与R6构成负自偏压电路。R5给出一定的正偏电压，使功放接近于乙类放大。L3、C6构成集电极并联谐振负载。C8、L4、C9构成型匹配

26、电路。,集电极谐振电阻Rp考虑到工程计算误差，选择谐振功率放大器临界状态时的最大输出功率为Po=1.1W，同时，再考虑匹配电路的传输效率，实际可选：Po=1.2W取三极管临界饱和电压降UcE（sat）=1V，则临界状态时的的载波电压振幅为Ucm=UccUce（sat）=11V则集电极谐振电阻应为,输出滤波电路由于Rp较小，为调谐方便，取L3、C6并联谐振时有载品质因素Qe=2（暂定，如滤波效果不好，则可将集电极部分接入到LC回路中，并适当提高匹配电路等效阻抗；或增加匹配电路级数），则,计算电路中各元器件参数（1）电源电压Ucc从电路综合要求来考虑，可暂选Ucc=12V，如不合适，最后再作调整。

27、（2）功放偏置与馈电电路馈电电路在工作频率不太高时，集电极与基极馈电电路均可采用并联型馈电电路，扼流圈L2选1mH电感即可。导通角与偏置电路选导通角接近于90（乙类），这样可以兼顾效率、功率增益和调制线性，因此，可使放大管UBE=0.6V左右，则选R6=5.6k，R5=100k，C5=0.01F。输入滤波电路为了调谐方便，提高信号的传输效率，取L1、C3并联谐振时有载品质因素Qe=5（通频带6MHz）。设动态时，选基极对基波的总等效电阻（含前级）Rp=500（暂定，如太小达不到，则可将基极部分接入到LC回路中，并适当提高前级输入电压幅度），则,匹配电路,由于天线阻抗RA=50，而要求Rp=50

28、，为此。选用型匹配电路，如图所示.。对于谐振功率放大器的匹配电路来说，Qe不宜取值太大，一般不超过10。取Qe1=2，由式2-40得,由式2-38得,由式2-41得,由式2-42得,基极输入载波电压幅度Ubm,选三极管的=100，则iBmax=iCmax/4.4mA。假定三极管导通时的大信号等效输入电阻rbe=100，则,uBEmax=iBmax rbe=0.44V由于通角为90，则Ubm=0.44V功率三极管的选择取乙类放大的实际效率c=0.6，则临界状态时三极管的最大集电极功耗为,临界状态时三极管的最大集电极电流为440mA临界状态时三极管的最大集电极电压为uCEmax2Ucc=24V,高

29、频功放的电路原理，各点波形？,复习：,高频功放技术指标的计算P0,PV,PC,PV=IC0 VCC,例：谐振功率放大器工作在欠压区，要求输出功率p0=5w,若VCC=24v,VBB=VonR=53,求PV、（0(90)=0.319,1(90)=0.5007）,例有一个用硅NPN外延平面型高频功率管：3DAl做成的谐振功率放大器，设已知Vcc=24V，P0=2W，工作频率=1 MHz。试求(1)最大输出电压幅度。（2）Rp 的大小(3)iCmax,IC1m,Ic0（4）能量关系PV,PC,(5)基极激励功率Pi 由晶体管手册3DAl已知其有关参数为fT70 MHz，Ap（功率增益）13dB，ICmax750 mA，UCE（sat）（集电极饱和压降）1.5 V，PCM=1 W。,解(1)由前面的讨论已知，工作状态最好选用临界状态。作为工程近似估算，可以认为此时集电极最小瞬时电压uCEmin=UCE（sat）=1.5 V。于是Ucm=VCC uCEmin=24 1.5V=22.5V,(3)选取=70，则由图2.31（或附录F）可知,未超过电流安全工作范围。,(2)由式（2.3）得,(4)PV=IC0 VCC=24103103W=2.47 W Pc=PVPo=2.472=0.47（W）PCM,(5)由功率增益的定义,求得所需的基极激励功率为,