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1、摘 要在通信系统中，高频功率放大器作为发射机的重要组成部分，用于对高频已调波信号进行功率放大，然后经天线将其辐射到空间，所以要求输出功率很大。功率放大电路是一种能量转换电路，即将直流电源能量转换为输出信号的能量，同时必然有一部分能量损耗。从节能的角度考虑，效率显得更加重要。论文从高频功率放大器的原理出发，介绍了高频功率放大器的基本工作原理并对制作具体电路进行总结。关键词：高频功率放大器AbstractIn the communication system, the high-frequency power amplifier is regarded as the important compo
2、nent of the transmitter, use for already adjusting the wave signal to carry on power amplification to high frequency, then been radiated it to the space by the aerial, so require output power to be very great. The circuit of power amplification is a kind of energy transfer circuit, change the energy
3、 of the direct current source into the energy which outputs the signal, there must be some energy at the same time to loss. From the point of the energy-conserving one, efficiency seems more important. The thesis proceeds from principle of the high-frequency power amplifier, has introduced the basic
4、 operation principle of the high-frequency power amplifier and summarized to making concrete circuitKeywords: High-frequency power amplifier目 录引言11 高频功率放大器简介22 高频功率放大器的工作原理22.1 基本电路结构22.2 工作原理分析32.3 高频功率放大器的动态分析52.4 谐振功率放大电路的组成原理93 高频小信号功率放大器硬件设计与制作103.1 高频小信号功率放大器的设计制作项目主要技术要求：103.2 高频小信号功率放大器的设计电路
5、原理图113.3 高频小信号功率放大器的PCB图113.4 根据高频功率放大器原理设计元件参数及电路性能指标计算114 结论124.1 高频电子电路PCB图布线的一些注意事项124.2 调试方法124.3 调试过程要注意的事项13谢 辞14参考文献15引言与低频功率放大器一样，输出功率、效率、和非线性失真同样是高频功率放大器的三个最主要的技术指标。功率放大电路是一种能量转换电路，即将直流电源能量转换为输出信号的能量，同时必然有一部分能量损耗。文章讨论了丙类谐振功放的工作原理、动态特性和电路组成。高频功率放大器因工作于非线性区域，用解析法分析较困难，固工程上普遍采用近似的分析方法折线法来分析其工
6、作原理和工作状态。它和小信号调谐放大器的主要区别在于：小信号调谐放大器的输入信号很小，在微伏到毫伏数量级，晶体管工作于线性区域；它的功率很小，但通过阻抗匹配，可以获得很大的功率增益；小信号放大器一般工作在甲类状态，效率较低。而调谐功率放大器的输入信号要大得多，为几百毫伏到几伏，晶体管工作延伸到非线性区域截止和饱和区。文章介绍了高频谐振功率放大器的工作原理，并总结了制作具体电路要注意的一些事项。1 高频功率放大器简介高频功率放大器是一种能量转换器件，它是将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。通信中应用的高频功率放大器，按其工作频带的宽窄划分为窄带和宽带两种，窄带高频功率放大器通常以谐振电路作为
7、输出回路，固又称为调谐功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频调谐功率放大器是通信系统中发射装置的重要组件，它也是一种以谐振电路作负载的放大器。它和小信号调谐放大器的主要区别在于：小信号调谐放大器的输入信号很小，在微伏到毫伏数量级，晶体管工作于线性区域；它的功率很小，但通过阻抗匹配，可以获得很大的功率增益；小信号放大器一般工作在甲类状态，效率较低。而调谐功率放大器的输入信号要大得多，为几百毫伏到几伏，晶体管工作延伸到非线性区域截止和饱和区。这种放大器的输出功率大，以满足天线发射或其他负载的要求，效率较高，一般工作在丙类状态。它
8、的只要技术指标是输出功率、效率和谐波抑制度（输出中的谐波分量应尽量小）等。通信中应用的高频调谐功率放大器，按其工作频率、输出功率、用途等的不同要求，可以采用晶体管或电子管作为功率调谐放大器的电子器件。晶体管有耗电少、体积小、重量轻、寿命长等优点，在许多场合应用。高频功率放大器因工作于非线性区域，用解析法分析较困难，固工程上普遍采用近似的分析方法折线法来分析其工作原理和工作状态。2 高频功率放大器的工作原理2.1 基本电路结构 -UBBCECL+uS-+ub-(a) 原理电路+ub-RpCL+uCE-icEC-UBB(b) 等效电路+uc1-电路结构主要由以下几部分组成：电源和偏置电路晶体管：大
9、功率晶体管，能承受高电压，大电流，一般工作时发射极反偏(C类)；输入激励电路：提供所需信号电压；输出谐振回路：（1）滤波选频，(2)阻抗匹配。2.2 工作原理分析 (1) 集电极电流 设输入信号电压: 则加到晶体管基极,发射级的有效电压为: uBEic-UBBUBZubicUbmgC由晶体管的转移特性曲线可以看出： 当，当，式中为：折线的斜率有由于当时， 又当时，代入有：尖顶余弦脉冲的数学表达式若对分解为付里叶级数为： ictccic1ic2ic3IcoIcmax式中：(1) ，称为尖顶余弦脉冲的分解系数。一般可以根据的数值查表求出各分解系数的值(2) ，为直流及基波和各次谐波的振幅。(2)
10、集电极输出电压 经LC并联谐振回路后，此回路对基波产生谐振，呈纯电阻性，集电极电压为最大值，而对其他谐波失谐阻抗很低，呈电容性，因而回路选出基波电压Uc1，而滤除各次谐波电压。而晶体管集电极的输出电压：2.3 高频功率放大器的动态分析由于高频功放工作在大信号的非线性状态，显然晶体管的小信号等效电路的分析方法已不适用，所以分析方法一般利用晶体管的静态特性曲线，但由于晶体管的静态特性曲线与频率有关，如右图所示了与之间的关系。而通常所说的静态特性曲线是指低频区：。高频功率放大器的动态特性： （1）放大区动态特性方程当放大器工作在谐振状态时，其外部电路电压方程为：若设：输入端：输出端：其中：由上两式消
11、除可得：又利用晶体管的内部特性关系式（折线方程）：可得：式中：表示动态特性曲线的斜率， vv式中：; 动态特性曲线在轴上的截距。谐振功放的功率性能： （2）临界工作状态动态特性曲线与临界饱和线以及对应的静态特性曲线，三线相交于一点此时：, 为尖顶余弦脉冲。高频功放工作在临界状态时，有较大的基波电流和较大的回路电压，故晶体管输出功率最大，高频功放通常选择这种工作状态。为保证这种工作状态所需的集电极负载电阻称为最佳负载电阻。高频功率放大器的负载特性vPoRp欠压区过压区临界区Rp欠压区过压区临界区Ic1IcoPDPcUc1负载特性是指、和一定时，不同值对功率性能影响的特性。在讨论这个特性时，应了解
12、下述几个概念：a、根据关系式可知，增大亦即增大。B、取定，+和管子的导通时间（或导通角）也就被确定。C、当0时，由上图可知，+，而对应的必定是最小值，即，因此对应于不同的动态点A必定在的这条输出特性曲线上移动，如上图所示。d、越大，就越大，即越小，画出的动态线越陡，且A点相应由放大区进入饱和区，导致动态线弯曲，由此画出的集电极电流波形由余弦脉冲波变为中间凹陷高度下降的脉冲波，如图上图所示。E、凡A点处在放大区的称为欠压状态，A点落在饱和区的称为过压状态，A点处于临界饱和线的称为临界状态。F、根据傅氏级数特点，脉冲电流越高，宽度越宽，和值就越大；中间凹陷越深，和值就越小。根据上述概念，画出不同时
13、集电极电流的波形如下图所示，由图可见，在欠压区，随着增大，集电极电流为余弦脉冲，其高度略有下降，进入过压区后，随着增大，集电极电流为中间凹陷的脉冲且其高度下降。由以上图可定性画出随增大，和的变化特性，从而找出相应功率性能的变化特性如图所示。由图可见，随着增大，在欠压区，、略有下降，相应的和增长很快；进入过压区后，和迅速下降，相应的增加趋缓且使下降。结果是临界状态时，达到最大且效率较高。通常称相应的为最佳负载，用表示。临界状态输出功率最大，效率也较高，可以说是最佳工作状态，常选此状态为末级功放输出状态。过压状态，效率高，但输出功率较小。在欠压状态，几乎不变，功放相当于一个恒流源，而过压状态几乎不
14、变，相当于一个恒压源。（3）调制特性和放大特性调制特性分集电极调制特性（当、不变时，随变化的特性）和基极调制特性（、不变，随变化的特性）两种。放大特性与基极调制特性相仿，它是在、不变时，随变化的特性。在讨论这些特性时，除上述概念外，还应补充如下概念。A、一定时，增大，集电极电流脉冲的高度和宽度都相应地增大。B、反之，一定时，越向负值方向增大，集电极电流脉冲的高度和宽度都相应地减小。C、不变，一定时，越小，A点将由放大区进入饱和区，相应的工作状态由欠压状态经临界状态进入过压状态。这三种特性的集电极电流脉冲的波形分别示于图N2-5、图N2-6和图N2-7。调制特性用来产生普通调幅波。放大特性主要作
15、线性功率放大器（此时一般让功放工作在乙类），用来放大已调波。2.4 谐振功率放大电路的组成原理（1）组成原理谐振功率放大器由直流馈电电路和滤波匹配网络组成，其电路组成原理与非谐振功率放大器相同，尚需强调下列几点。A、功率管的输出、输入回路都必须有直流电路B、直流通路不能影响匹配滤波网络的工作，匹配滤波网络亦不能影响直流通路的正常供电。（2）直流馈电电路a、集电极馈电电路图N2-8（a）为串馈供电电路，即直流电源、滤波匹配网络和功率管在电路形式上为串接的电路。图N2-8（b）为并馈供电电路，即直流电源、匹配滤波网络和功率管在电路形式上为并接的电路。由图可见，两种供电方式有相同的直流通路，都能全部
16、加到集电极上，不同的仅是滤波匹配网络的接入方式，在串馈电路中电源与滤波匹配网络串接，因此滤波匹配网络必定处于直流高电位上，网络元件不能直接接地。而在并馈电路中，电源电压通过高频扼流圈供电，再加上隔断直流，因此滤波匹配网络可以处于直流地电位上，可以直接接地。这样，它们在电路板上安装比串馈电路方便。但和并接在滤波匹配网络上，它们的分布参数将直接影响网络调谐。注意，不论采用哪种馈电方式，加在功率管集射极间电压均为和输出高频电压的叠加值，即+。B、基极偏置电路如下图所示，图中，（a）为分压偏置电路，（b）、（c）为自给偏置电路，在这些偏置电路中都存在着自给偏置效应，即当由小增大时，基极电流脉冲中的平均
17、分量相应增大，它在偏置电阻上的压降增大，结果使基极偏置电压向负值方向增大。由此表明在输入信号激励下，由于自给偏置效应，基极偏置电压将不等于静态偏置电压，且其值随着输入激励幅度增大而向负值方向增大。3 高频小信号功率放大器硬件设计与制作3.1 高频小信号功率放大器的设计制作项目主要技术要求： 输入信号：100mVpp输出负载：51谐振电压放大倍数:AUO30dB通频带带宽为4MHz 工作中心频率: 22.9MHZ（学号后三位数字）。供电电压：12v 3.2 高频小信号功率放大器的设计电路原理图 3.3 高频小信号功率放大器的PCB图3.4 根据高频功率放大器原理设计元件参数及电路性能指标计算 （
18、1） 谐振频率=22.9MHz 谐振回路L1=L5=0.6UH，C3=C7=68pf，可变电容C1和C2为5到20pf。 （2） 基波电流振幅Ic1m =Ucm/R=50mA 集电极的输出功率P0=0.5R=63.75mW 集电极电流脉冲的最大值Icm及其直流分量Ic0 Icm=Ic1m/1（70）=116.9 mAIc0=Icm0（70）=29.6mA集电极的输出功率P0=0.5R=66.27mW电源供给的直流功率PD为PD=VCCIc0=355.2mW集电极的耗散功率PC为PC=PD-P0=288.93mW放大器的转换效率为=P0/PD=19%4 结论4.1 高频电子电路PCB图布线的一些
19、注意事项高速电路器件管脚间的引线弯折越少越好，管脚间的引线越短越好，高频电路布线的引线最好采用全直线，需要转折可用45 度折线或圆弧转折，这种要求在低频电路中仅仅用于提高钢箔的固着强度，而在高频电路中满足这一要求却可以减少高频信号对外的发射和相互间的耦合。高频电路布线要注意信号线近距离平行走线所引入的交叉干扰，若无法避免平行分布，可在平行信号线的反面布置大面积地来大幅度减少干扰，同一层内的平行走线几乎无法避免，但是在相邻的两个层走线的方向务必取为相互垂直。在高频电路布线中最好在相邻层分别取水平和竖直布线交替进行，同一层内的平行走线无法避免但可以在印板反面大面积敷设地线来降低干扰，这是针对常用的
20、双面板而言，多层板可利用中间的电源层来实现。4.2 调试方法 本高频功率放大器由两级放大器组成，其中第一级为甲类谐振功率放大器，第二级为丙类谐振功率放大器，甲类谐振功率放大器不失真的放大信号源电压，为丙类谐振功率放大器提供大信号。调试电路时，首先调试第一级电路，使之处于谐振状态，然后再调试第二级电路，也使之处于谐振状态，其中谐振频率应该为22.9MHz。首先将频率为22.9MHz的信号源从输入端输入电路，然后用示波器观察第一级集电极的输出信号，不断的改变信号源的频率，当在某一频率X处，信号电压最大，频率比X小或比X大处信号减小，偏离X越大信号越小，则可判断频率X处为谐振频率。若X的值与所要求的
21、工作中心频率22.9MHz比较接近，则可通过调整谐振回路的可变电容来调整回路的谐振频率，使谐振频率最终为22.9MHz。若X的值与所要求的工作中心频率22.9MHz相差较大，无法通过调整可变电容来使谐振回路谐振于22.9MHz，则必须换掉固定电容或者电感。更换电容或电感的原则是：若谐振频率X比22.9MHz小，则应该换上更小的电容或电感，反之，若谐振频率X比22.9MHz大，则应该换上更大的电容或电感，谐振回路的总电容和电感应该满足公式WL=1/WC。4.3 调试过程要注意的事项 功率放大器电源供给的功率一般都比较大，由谐振功率放大器的负载特性曲线可知，当谐振回路等效阻抗或者负载很小时集电极的
22、耗散功率比较大，当集电极的耗散功率大于功放三极管的集电极最大允许耗散功率Pcm时，三极管将被烧坏，所以在调试电路时特别要注意不要让负载短路。回路失谐时直流输入功率PD=IcoEC随Ico的增加而增加，而输出功率Po=UcmIcmlcos将主要因cos因子而下降，因此失谐后集电极功耗PC将迅速增加，这也可能将三极管烧坏，这表明高频功放必须经常保持在谐振状态。在调谐的过程中避免因回路失谐而引起三极管烧坏的方法之一是在调谐之前先将电源电压降至正常工作时电源电压的1/2到1/3处，等到电路调到所需谐振点处以后再把电源电压升高至正常工作电压。 谢 辞 在电路制作过程中，得到了许多老师和同学的帮助，使我能够顺利完成本次实训，使我在电路调试中能够顺利找出电路调试失败原因并能够很快进行改正，在此对他们的帮助表示衷心的感谢。在制作电路板及PCB打印时得到了一些同学的帮助，在此也一并对他们的帮助表示感谢。参考文献1 杨翠娥,高频电子线路实验与课程设计, ,哈尔滨,哈尔滨工程大学出版社,20052 谢自美，电子线路设计.实验.测试 武汉：华中科技大学，20003 李刚,Protel DXP 电路设计标准教程,清华大学学出版社.20054 钱恭斌,Electronics Workbench实用通信与电子线路的计算机仿真,北京：电子工业出版社，2001