金偉正， 陶 琴， 楊光義

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院， 湖北 武漢 430079)

諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)教學(xué)

金偉正， 陶 琴， 楊光義

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院， 湖北 武漢 430079)

本文介紹一種新型的諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)涉及到高頻振蕩器、甲、乙類諧振放大器、丙類倍頻器以及丙類諧振功率放大器。實(shí)驗(yàn)教學(xué)表明，該電路實(shí)驗(yàn)效果良好, 學(xué)生通過本實(shí)驗(yàn)可以較為全面地理解和掌握高頻諧振功率放大器全部知識(shí)點(diǎn)，并為今后進(jìn)行高頻電路設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

諧振功率放大；高頻；倍頻；級(jí)間匹配

0 引言

“高頻電子線路”是電子信息、通信類等專業(yè)本科生的主干基礎(chǔ)課程, 高頻諧振功率放大器是“高頻電子線路”課程教學(xué)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)[1,2]。高頻諧振功率放大器一般用于發(fā)射機(jī)的末級(jí)電路，是發(fā)射機(jī)電路的主要組成部分。高頻諧振功率放大器的電能消耗往往占到整機(jī)耗電量的絕大部分，所以功率放大器工作狀態(tài)的優(yōu)劣以及工作效率的高低就相當(dāng)重要。

本文介紹了一種新型的高頻諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)方案，該實(shí)驗(yàn)方案幾乎涉及到“高頻電子線路”課程的全部?jī)?nèi)容，包括振蕩器、甲、乙類諧振放大器、丙類倍頻器以及丙類諧振功率放大器。實(shí)驗(yàn)教學(xué)表明，該實(shí)驗(yàn)效果良好, 學(xué)生通過本實(shí)驗(yàn)可以全面地理解和掌握高頻諧振功率放大器全部知識(shí)點(diǎn)，并為今后進(jìn)行設(shè)計(jì)工作打下良好的基礎(chǔ)。

1 原理介紹

凡是采用諧振選頻網(wǎng)絡(luò)作為輸出負(fù)載的功率放大器統(tǒng)稱為諧振放大器，其中又分為甲類、乙類和丙類三種常用類型。圖1是放大器工作在三種不同狀態(tài)時(shí)的輸入、輸出波形。從圖中可明顯地看出三種工作狀態(tài)特點(diǎn)。甲類放大器工作狀態(tài)具有所需輸入信號(hào)幅度小、輸出信號(hào)不失真等優(yōu)點(diǎn)，但工作效率較低。乙類、丙類放大器工作狀態(tài)雖然工作效率較高，但是存在著輸出信號(hào)失真大、所需輸入信號(hào)幅度大等缺點(diǎn)。從工作效率來講，由于丙類諧振功率放大器電壓導(dǎo)通角較小，所以丙類工作狀態(tài)是三種放大器中效率最高的。而作為發(fā)射末級(jí)功率放大電路，功耗和效率是主要問題，因此人們往往更注重電路的工作效率[3，4]。為了更好地提高效率，發(fā)射機(jī)的高頻末級(jí)功率放大器一般均會(huì)采用丙類工作方式。而高頻發(fā)射電路的激勵(lì)級(jí)一般采用乙類放大電路。

圖1 放大器工作在三種狀態(tài)下的工作波形

2 總體設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)電路主要由五級(jí)單元電路組成。圖2為實(shí)驗(yàn)電路的系統(tǒng)框圖，圖3為實(shí)驗(yàn)電路圖。從圖中可以看出，電路主要由三部分組成。

圖2 諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)電路框圖

第一部分是信號(hào)產(chǎn)生電路，由6 MHz正弦波振蕩器和甲類高頻諧振放大器組成。它的作用主要是為下一級(jí)提供頻率為6 MHz幅值較大的載波激勵(lì)信號(hào)。第二部分是倍頻電路，由一個(gè)典型的丙類二倍頻器組成。 它的作用主要是將振蕩級(jí)的信號(hào)進(jìn)行二倍頻，完成信號(hào)從6 MHz到12 MHz的變換。第三部分是功率放大電路，由激勵(lì)級(jí)(乙類高頻諧振放大器)、末級(jí)(丙類高頻諧振功率放大器)兩級(jí)電路組成。激勵(lì)級(jí)負(fù)責(zé)將前級(jí)送來的高頻信號(hào)進(jìn)行電壓放大，使放大后的幅度滿足末級(jí)電路對(duì)輸入高頻電壓的要求。功率放大電路是測(cè)試點(diǎn)最多的一級(jí)電路，各測(cè)試點(diǎn)主要測(cè)試激勵(lì)級(jí)的基極激勵(lì)電壓波形(J6)、集電極電壓波形(J7)、末級(jí)集電極電流波形(J8)、放大器輸出電壓波形(J9)及放大器輸出負(fù)載電阻值切換開關(guān)狀態(tài)(K2)。

圖3示出全部電路圖，分為(a)(b)兩部分，實(shí)際電路中J6_0和J6_1是同一點(diǎn)。

(a)振蕩放大及倍頻電路圖

(b)兩級(jí)諧振功率放大器及輸出級(jí)電路圖圖3 諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)電路圖

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括振蕩器、倍頻器、諧振功放器的特性統(tǒng)調(diào)[5]；諧振功率放大器的負(fù)載特性、放大特性、調(diào)制特性(包括集電極調(diào)制特性和基極調(diào)制特性)的測(cè)試以及諧振放大器輸出功率與工作效率的測(cè)量。由于篇幅的限制，本文僅給出諧振功率放大器負(fù)載特性的詳細(xì)測(cè)試方法，其他功能電路僅給出實(shí)測(cè)的波形及定性分析。

3.1 振蕩器及倍頻器測(cè)試

振蕩電路由6 MHz的晶體振蕩器組成。它的主要作用是產(chǎn)生振蕩信號(hào)，為后級(jí)電路提供輸入信號(hào)。實(shí)驗(yàn)過程中，可以在J1端檢測(cè)到如圖4所示的振蕩信號(hào)，可以看出，晶體振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)頻率穩(wěn)定在6 MHz，幅度較為理想。

甲類諧振放大電路由BG2和外圍元件組成，它負(fù)責(zé)將振蕩器送來的正弦波信號(hào)電壓放大到一定幅度，以滿足后級(jí)需要。實(shí)驗(yàn)過程中，在J3可以檢測(cè)到如圖5所示的波形。經(jīng)過甲類放大器，信號(hào)波形有了明顯的放大，由于選頻網(wǎng)絡(luò)的存在，信號(hào)波形比振蕩輸出級(jí)的信號(hào)更為穩(wěn)定。如果觀察到的信號(hào)的頻率不是很理想，可以通過調(diào)節(jié)L13以及B2的值，改變回路的諧振頻率，使電路諧振于6 MHz。

圖4 振蕩電路的測(cè)試波形 圖5甲類諧振放大電路的測(cè)試波形

倍頻電路由BG3和LC選頻電路組成。倍頻管工作在丙類狀態(tài)，負(fù)責(zé)將BG2送來的6 MHz信號(hào)頻率進(jìn)行二倍頻處理。實(shí)驗(yàn)過程中可以在J5觀察到如圖6(b)所示的二倍頻器的輸出波形。顯然，與其輸入波形圖6(a)相比，輸出信號(hào)的頻率為12 MHz，幅度有明顯的增大。由于經(jīng)過倍頻后，基波與二次諧波會(huì)疊加在一起，故得到的波形并不是標(biāo)準(zhǔn)的12 MHz的正弦波信號(hào)。所以，在下一級(jí)設(shè)計(jì)了選頻網(wǎng)絡(luò)。如果觀察到的信號(hào)的頻率不是很理想，可以通過調(diào)節(jié)C11以及B1的值，改變回路的諧振頻率，使電路諧振于12 MHz。

(a) 丙類倍頻器輸入波形 (b)丙類倍頻器輸出波形圖6 丙類倍頻器電路的測(cè)試結(jié)果

3.2 乙類高頻諧振放大器測(cè)試

乙類高頻諧振放大器作為激勵(lì)級(jí)由BG4和外圍元件組成。它工作在乙類狀態(tài)。它的主要作用是為末級(jí)功放管基極提供較強(qiáng)的高頻功率信號(hào)。實(shí)驗(yàn)過程中可以在J7觀察到如圖7(b)所示的輸出波形。顯然，與圖7(a)的輸入波形相比，信號(hào)的幅值有明顯的增大。可以通過調(diào)節(jié)電位器RW1改變注入的輸入信號(hào)以控制推動(dòng)丙類放大器的電壓。如果觀察到的信號(hào)的頻率不是很理想，可以通過調(diào)節(jié)C13以及B3的值，改變回路的諧振頻率，使電路諧振于12 MHz。

(a)輸入波形 (b)輸出波形圖7 乙類高頻諧振功率放大器電路的測(cè)試結(jié)果

3.3 丙類高頻諧振功率放大器測(cè)試

諧振功率放大器主要由BG5和輸出濾波電路及負(fù)載組成。BG5工作在丙類狀態(tài)，它的主要作用是提高電路工作效率，輸出盡可能大的高頻功率信號(hào)。

選頻輸出與輸出阻抗網(wǎng)絡(luò)級(jí)由L5、L6、C14和負(fù)載電阻組成[6]。它主要完成從信號(hào)中選出所需的頻率，經(jīng)過阻抗匹配后送往負(fù)載電阻或發(fā)射天線[7]。以100 歐姆負(fù)載為例，可以在功率管輸出端J8檢測(cè)到如圖8所示的波形。此時(shí)，信號(hào)波形頻率穩(wěn)定，振蕩幅度很大。同時(shí)，可以在J9端檢測(cè)到輸出到負(fù)載上的波形，如圖9所示。

圖8丙類高頻功率管輸出端的測(cè)試波形 圖9 輸出負(fù)載上的測(cè)試波形

3.4 負(fù)載特性測(cè)試與分析

當(dāng)負(fù)載回路諧振時(shí)， 改變負(fù)載電阻的大小，可以得到負(fù)載特性[8,9]。保持功率管的基極輸入信號(hào)為2 V /12 MHz，改變諧振功放的負(fù)載電阻，用示波器觀察負(fù)載兩端的輸出電壓，記錄在表1中。根據(jù)表1繪制負(fù)載電阻-輸出電壓/輸出功率曲線，如圖10所示。

表1 丙類高頻諧振功率放大器負(fù)載特性測(cè)試表

圖10 負(fù)載電阻-輸出電壓/輸出功率曲線

分析圖10可知，隨著負(fù)載電阻R的增加，放大器由欠壓狀態(tài)經(jīng)過臨界狀態(tài)最后進(jìn)入過壓狀態(tài)，相應(yīng)的集電極電流脈沖變?yōu)榘枷莸拿}沖波。在欠壓區(qū)，R由小增大，輸出電壓和輸出功率隨R近似線性增大；在臨界區(qū)達(dá)到最大；在過壓區(qū)，隨著R增大，輸出電壓有小幅度減小，同時(shí)輸出功率也減小。測(cè)試的負(fù)載特性與文獻(xiàn)[1]的理論分析完全一致。

4 結(jié)語

本文介紹的諧振功率放大器實(shí)驗(yàn)方案涵蓋“高頻電子線路”教學(xué)的全部?jī)?nèi)容，覆蓋的知識(shí)面廣，它不僅滿足了高頻電子線路對(duì)功放實(shí)驗(yàn)的要求，還拓展了學(xué)生動(dòng)手能力的發(fā)揮空間，值得推廣。本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于我?！案哳l電子線路”的課程實(shí)驗(yàn)取得了非常好的效果。同時(shí)，獲得在東南大學(xué)舉辦的第二屆電工電子基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例二等獎(jiǎng)。

[1] 張肅文.高頻電子線路 第五版[M].北京:高等教育出版社，2009.

[2] 董尚斌,代永紅,金偉正等.電子線路II[M].北京:清華大學(xué)出版社，2013.

[3] 謝沅清,通信電子線路[M].北京:科學(xué)出版社，2006.

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The Teaching of the Resonance Power Amplifier Experiment

JIN Wei-zheng, TAO Qin, YANG Guang-yi

(SchoolofElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

A new type of high frequency resonance power amplifier experiment scheme, which involves all of the high frequency resonance amplifier design including the oscillator, classA,B resonance amplifier, class C frequency multiplier, and class C resonance power amplifier circuit, is introduced in this paper. The experiment teaching shows that these circuits can work well, though which can help students deeply understanding and grasping whole contents of the high frequency resonance power amplifier, and make a firm foundation for the future.

resonance power amplifier, high frequency, frequency multiplier, interstage matching

2016-02-29;

2016-04-26

武漢大學(xué)設(shè)備處開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，(項(xiàng)目號(hào)WHU-2016-KFSY-3)

金偉正(1966-)，男，副教授，博士，主要從事無線電通信、數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)和科研工作，E-mail: jwz@eis.whu.edu.cn

TM 933.1

A

1008-0686(2017)01-0109-04