范會(huì)雨

【摘要】對(duì)調(diào)頻發(fā)射機(jī)而言，輸出的阻抗越低，則說(shuō)明電路可輸出的電流值越大，其負(fù)載能力越強(qiáng)，頻率特性越良好，由此可見(jiàn)，對(duì)發(fā)射機(jī)輸出阻抗匹配相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究很有必要。在具體研究過(guò)程中，文章首先對(duì)調(diào)頻發(fā)射機(jī)的原理進(jìn)行說(shuō)明，分析了發(fā)射機(jī)推動(dòng)板、輸出電路系統(tǒng)運(yùn)行原理，其次研究了微帶線特性，最后對(duì)阻抗匹配進(jìn)行了計(jì)算，明確具體計(jì)算要點(diǎn)。希望文中所分析內(nèi)容可為行業(yè)有關(guān)人員提供理論參考，促使有關(guān)阻抗匹配的研究朝向深入化方向發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】阻抗匹配;功放輸出回路;調(diào)頻發(fā)射機(jī)

中圖分類號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.20.002

隨著新型電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)逐漸取代模擬調(diào)配發(fā)射機(jī)，在現(xiàn)代化通信領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。其主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是無(wú)需中轉(zhuǎn)站支持，提高了移動(dòng)通信效率。一般情況下，發(fā)射機(jī)分為三個(gè)部分，分別是高頻、低頻與電源，為確保各部分性能達(dá)到最佳，相關(guān)人員需要對(duì)調(diào)頻發(fā)射機(jī)功放輸出回路阻抗匹配問(wèn)題進(jìn)行研究，并結(jié)合發(fā)射機(jī)的原理，選擇科學(xué)的設(shè)計(jì)思路，充分考慮阻抗匹配合理性問(wèn)題，確保設(shè)計(jì)方案完成后，可最大程度滿足調(diào)頻發(fā)射機(jī)升級(jí)完善要求。

1. 調(diào)頻發(fā)射機(jī)原理

1.1 運(yùn)行原理

調(diào)頻發(fā)射機(jī)強(qiáng)調(diào)利用無(wú)線方式，對(duì)廣播電臺(tái)所制作音樂(lè)、語(yǔ)音類節(jié)目進(jìn)行發(fā)射及傳播。其運(yùn)行原理如下：第一步，對(duì)高頻載波、音頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，使其成為相應(yīng)調(diào)頻波，保證高頻載波實(shí)際頻率可隨著音頻信號(hào)的調(diào)整而變化。第二步，在放大高頻信號(hào)的基礎(chǔ)上，對(duì)其做激勵(lì)和功放處理，待阻抗匹配操作結(jié)束，向天線輸出相應(yīng)信號(hào)，由天線負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)進(jìn)行發(fā)送?，F(xiàn)階段，獲得高頻信號(hào)的方法有兩個(gè)，分別是PLL以及頻率合成。

根據(jù)使用場(chǎng)合對(duì)發(fā)射機(jī)類別進(jìn)行劃分，可得到專業(yè)發(fā)射機(jī)、業(yè)余發(fā)射機(jī)兩類。廣播電臺(tái)和其他要求音質(zhì)的場(chǎng)合所采用發(fā)射機(jī)均為專業(yè)發(fā)射機(jī)，一般場(chǎng)合只需對(duì)非專業(yè)發(fā)射機(jī)加以應(yīng)用即可。如果將廣播方式作為分類依據(jù)，應(yīng)將其劃分成單聲道、立體聲兩類。若以電路原理為依據(jù)，可將現(xiàn)有調(diào)頻發(fā)射機(jī)分為模擬發(fā)射機(jī)、數(shù)字發(fā)射機(jī)，其中，模擬發(fā)射機(jī)的作用主要是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行接收，對(duì)信號(hào)進(jìn)行限幅、放大，對(duì)立體聲進(jìn)行編碼等工作均為模擬開(kāi)展，強(qiáng)調(diào)依托PLL和VCO對(duì)載頻信號(hào)進(jìn)行生成，在此基礎(chǔ)上，利用模擬所得復(fù)合信號(hào)完成調(diào)制變?nèi)荻O管的相關(guān)工作?；谀M發(fā)生及所研發(fā)數(shù)字發(fā)射機(jī)，現(xiàn)已逐漸取代了模擬發(fā)射機(jī)的地位，對(duì)二者進(jìn)行區(qū)分的依據(jù)主要是判斷發(fā)射機(jī)是否對(duì)DDS與DSP相結(jié)合的技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用。數(shù)字發(fā)射機(jī)強(qiáng)調(diào)對(duì)音頻至射頻的各個(gè)環(huán)節(jié)做數(shù)字化處理，基于DSP對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行接收及處理，另外，立體聲編碼和信號(hào)模擬環(huán)節(jié)所依托主體，同樣為DSP，基于DSP完成DDS的控制工作，使調(diào)制過(guò)程表現(xiàn)出更為理想的數(shù)字化水平。一般來(lái)說(shuō)，在對(duì)離散調(diào)頻波進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換之后，通常可獲得常規(guī)調(diào)頻波，此時(shí)，再利用放大器對(duì)調(diào)頻波功率進(jìn)行放大即可。

1.2 電路介紹

本文所討論放大電路的放大管內(nèi)阻是0.2Ω，該放大管所輸出電阻可達(dá)50Ω。電路正常運(yùn)行頻率往往在103MHz～107MHz間，電路輸出原理可用圖1進(jìn)行表示：

在圖1中，輸出電路的運(yùn)行頻率f的取值是105，單位是MHz。電路工作波長(zhǎng)可達(dá)2.86m左右，介電常數(shù)的取值約為3.9。對(duì)介質(zhì)波長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算的公式為：

利用L1對(duì)λ/4微帶線進(jìn)行表示，該微帶線的長(zhǎng)度在36cm左右。綜合考慮各參數(shù)可知，上述輸出電路可被歸為B類電路。

2. 微帶線特性分析

微帶線是指以介質(zhì)基片為載體，通過(guò)支設(shè)單一導(dǎo)體帶的方式所形成微波傳輸線，現(xiàn)階段，微帶線主要被用來(lái)對(duì)微波集成電路對(duì)應(yīng)傳輸線進(jìn)行制作。相較于傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在可靠、成本低廉、體積較小以及可對(duì)頻帶寬加以使用方面，當(dāng)然，微帶線的不足也十分明顯，例如，功率容量較小，日常運(yùn)行的損耗量偏大。上世紀(jì)60年代，隨著微波半導(dǎo)體、低損耗材料的持續(xù)發(fā)展，微波集成電路被應(yīng)用在諸多領(lǐng)域，這也為微帶線的推廣提供了支持，隨著數(shù)十年的完善，微帶線類型變得更加多元，大部分微帶線的制造工藝均為薄膜工藝，以微波損耗偏低且介電常數(shù)理想的材料為介質(zhì)基片首選材料，配合穩(wěn)定可靠且導(dǎo)電性能佳的導(dǎo)體，打造可使自身優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮的微帶線。

圖1的A點(diǎn)C18代表交流信號(hào)存在短路情況，結(jié)合阻抗圓圖相關(guān)理論可知，D點(diǎn)λ/4供電微帶線對(duì)應(yīng)阻抗是無(wú)窮大，這表明λ/4供電微帶線給高頻信號(hào)所產(chǎn)生影響可以忽略不計(jì)。通過(guò)測(cè)量可知，電路板真實(shí)厚度是1.8mm，而微帶線的凈寬度為2mm，帶管子引腳的寬度為8mm。

微帶線寬和電路板厚的比值≥1，由此可見(jiàn)，對(duì)微帶線實(shí)際阻抗進(jìn)行計(jì)算的公式應(yīng)為：

在上述公式中，h代表電路板厚，取值是1.8，W代表帶管子引腳的微帶線寬，取值是8。對(duì)特性阻Zc抗進(jìn)行計(jì)算的結(jié)構(gòu)是30Ω，對(duì)介電常數(shù)εe進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果是3.33。如果將微帶線寬設(shè)為凈寬，將取值改為2mm，則特性阻抗的取值是70Ω，介電常數(shù)的取值為2.87。結(jié)合計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)微帶線的高頻電路而言，不同的微帶線寬，通常對(duì)應(yīng)不同的特性阻抗和介電常數(shù)，除特殊情況外，寬度越窄的微帶線擁有越大的特性阻抗，其介電常數(shù)往往較小。

3. 阻抗匹配計(jì)算要點(diǎn)

對(duì)阻抗匹配加以應(yīng)用的主體為傳輸線，其作用主要是確保高頻微波信號(hào)均可被快速且準(zhǔn)確的傳遞到對(duì)應(yīng)負(fù)載點(diǎn)，通過(guò)切斷信號(hào)向來(lái)源點(diǎn)反射所依托途徑的方式，使能源效益得到顯著提升。無(wú)論是信號(hào)源內(nèi)容、傳輸線實(shí)際特性阻抗的相位以及大小一致，還是特性阻抗以及負(fù)載阻抗的相位、大小一致，均表明傳輸線所處狀態(tài)為阻抗匹配。要想實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，通常要在負(fù)載與對(duì)應(yīng)源之間新增無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的作用，主要是保證負(fù)載、對(duì)應(yīng)源阻抗處于共軛匹配狀態(tài)。對(duì)調(diào)頻發(fā)射機(jī)而言，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配的目的可被歸納如下：首先是保證源、器件還有負(fù)載間所存在傳輸功率為最大功率。其次是通過(guò)LNA前級(jí)匹配的方式，使接收機(jī)所表現(xiàn)出靈敏度最大程度接近預(yù)期。再次是對(duì)放大器進(jìn)行優(yōu)化，使其輸出功率以及增益達(dá)到理想水平。最后是對(duì)饋線所損耗功率加以控制。

在工作狀態(tài)下，f的取值為105，單位是MHz。研究人員計(jì)劃先用容抗值替代電容值，各參數(shù)取值如下：XC2=-j3.8Ω;Xc3=-j14.7Ω;Xc4=-j46Ω;Xc5=-j14Ω;XC6=-J152Ω。另外，負(fù)載Z0的取值為50Ω。

若并聯(lián)XC6和Z0，對(duì)Z輸出a進(jìn)行計(jì)算所得結(jié)果為45.12-j14.8。串聯(lián)XC5和Z輸出a，計(jì)算所得結(jié)果為45.12Ω-j28.8Ω，利用Z輸出b進(jìn)行表示。并聯(lián)XC4和Z輸出b，將計(jì)算所得結(jié)果設(shè)為Z輸出c，則可得出Z輸出c的取值為13Ω-j26.36Ω?；谧杩箞A圖相關(guān)理論，科學(xué)規(guī)劃L4右側(cè)阻抗可得：

將L4長(zhǎng)度設(shè)為0.07m，則L4線段規(guī)劃結(jié)果為：

在阻抗圓圖對(duì)點(diǎn)a位置進(jìn)行確定，沿順時(shí)針?lè)较蛲七M(jìn)可得點(diǎn)b，點(diǎn)a及點(diǎn)b所在位置如圖2所示。

點(diǎn)b所對(duì)應(yīng)規(guī)劃阻抗的取值是0.17-j0.05，對(duì)規(guī)劃阻抗進(jìn)行反規(guī)劃處理，L4左側(cè)阻抗取值變?yōu)?2Ω-j3.5Ω。對(duì)C3和Z輸出c進(jìn)行串聯(lián)，利用Z輸出c對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行表示，其取值為5.46Ω-j6.42Ω。隨后，研究人員結(jié)合阻抗圓圖對(duì)L3左側(cè)電抗進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為5.6Ω+j7Ω，用Z輸出d進(jìn)行表示。在綜合考慮上文所提及各取值可知，L1左側(cè)電抗的取值應(yīng)為1.4Ω+j5Ω。由此可見(jiàn)，輸入端處于阻抗匹配的狀態(tài)，則傳輸線功率最大，如果輸出端滿足阻抗匹配要求，表明對(duì)應(yīng)傳輸線僅有流向終端的電流波以及電壓波存在，同時(shí)，其所攜帶能量將被負(fù)載盡數(shù)吸收。

4. 研究結(jié)論分析

通過(guò)計(jì)算可知，場(chǎng)效應(yīng)管內(nèi)阻的最大值為0.2Ω，隨后，研究人員利用電路分析法得出“阻抗值和內(nèi)阻值不等”的結(jié)論。但要注意一點(diǎn)，二者取值不等并不代表二者不匹配，這是因?yàn)樵撦敵鲭娐窞锽類電路，其特點(diǎn)是阻抗取值為無(wú)窮，因此，可匹配該電路輸出阻抗的取值范圍應(yīng)當(dāng)是≥1.5+j5Ω。

5. 結(jié)論

綜上，文章對(duì)數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)功放輸出回路總的阻抗匹配問(wèn)題進(jìn)行研究，明確了調(diào)頻發(fā)射機(jī)的工作原理和微帶線特性，并對(duì)阻抗匹配進(jìn)行了有效計(jì)算。通過(guò)分析和計(jì)算，為相關(guān)人員完成阻抗匹配提供理論參考。本次研究不僅對(duì)阻抗值、內(nèi)阻值進(jìn)行了合理匹配，還對(duì)具體的輸出電路和輸出回路進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)良好的阻抗匹配方案。

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