盧鷹

(津市職業(yè)中專學校，湖南 常德 415400)

調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)的改進與設(shè)計

盧鷹

(津市職業(yè)中專學校，湖南 常德 415400)

文章通過對調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)進行分析研究，發(fā)現(xiàn)存在輸出功率和效率較低，致使發(fā)射距離受限的問題，因而對其進行改進。主要從發(fā)射系統(tǒng)中功率放大器這一環(huán)節(jié)出發(fā)進行改進。在相對輸出波形不失真的前提下，采用D類高頻功率放大器來提高輸出功率，從而達到提高發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射距離的目的。

調(diào)頻;發(fā)射系統(tǒng);D類高頻功率放大器

一、引 言

隨著電子線路技術(shù)的不斷發(fā)展，各種調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)都有了較多的改進和設(shè)計。針對發(fā)射系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，比如振蕩電路的設(shè)計，調(diào)制器的選用，倍頻或混頻電路的合理搭配，以及各種高效率放大器的改進，都作了比較深的研究，然而，在各種發(fā)射系統(tǒng)的改進中，大多數(shù)都采用C類功率放大器，經(jīng)過比較，雖然C類功率放大器比A類，B類，AB類的效率都要高，但是，它們的效率還是還是不足以使發(fā)射系統(tǒng)實行超遠距離的發(fā)射，因而在實際應(yīng)用中受到限制，如何有效解決這一問題成為一個重要研究課題。針對D類功率放大器瞬時功耗小的有關(guān)特點，筆者將其應(yīng)用到調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)，并通過multisim7仿真實驗，發(fā)現(xiàn)其效率理論值可達到100%，典型值也達到90%以上。可見，這一類改進和設(shè)計能夠有效提高輸出功率、改善發(fā)射系統(tǒng)性能，這對于擴大調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)在電子設(shè)備的應(yīng)用范圍，意義重大。

二、本設(shè)計中運用的工具multisim7簡介

multisim7是加拿大 Interactive Image Technologies公司新推出的一個電路原理設(shè)計、電路功能測試的虛擬仿真軟件，是EWB的升級版。又名“全能仿真”。它用軟件的方法模擬電子線路元器件和儀器儀表，實現(xiàn)了“軟件即元器件”和“軟件即儀器”，不僅可以大大減少實際環(huán)境中的干擾，提高工作效率，還能保存仿真工程所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)和圖形，為高頻電子線路整體分析與改進提供了一條捷徑。

本文主要利用此軟件的仿真結(jié)果來驗證電路的可靠性。

1.Multisim7的特點

Multisim7的虛擬測試儀器儀表種類齊全，有一般實驗用的通用儀器，如萬用表、信號發(fā)生器、雙通道示波器、直流電源;還有一般實驗室少有或沒有的儀器，如波特圖示儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、失真度測量儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等。為電子線路的仿真提供了更多的虛擬儀器。

Multisim7具有較詳細的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析、時域和頻域分析、期間的線性和非線性分析、電路的噪聲和失真分析、離散傅立葉分析、電路

零極點分析、交直流靈敏度分析等，以幫助設(shè)計人員分析電路的性能。

2.Multisim7軟件進行仿真分析的基本步驟

創(chuàng)建仿真電原理圖→電路圖選項的設(shè)置→使用仿真儀器→設(shè)定仿真分析方法→啟動miltisim7仿真。

三、調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)簡介

發(fā)射系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1：

圖1 發(fā)射系統(tǒng)框圖

發(fā)射機的任務(wù)是完成有用低頻信號對高頻載波的調(diào)制，將其變?yōu)樵谀骋恢行念l率上具有一定帶寬，適合通過天線發(fā)射的有足夠輻射功率的電磁波。

在該系統(tǒng)中，音頻放大器輸出的低頻信號控制高頻載波振蕩器的某些參數(shù)，從而實現(xiàn)調(diào)制。若調(diào)制輸出的已調(diào)信號的頻率不夠高，則可根據(jù)需要進行倍頻或上變頻，以達到信道頻率要求。若已調(diào)信號的輸出幅度不夠高，則可根據(jù)需要進行若干級(通常有預(yù)放，激勵和輸出三級)放大，若要求得到高保真且能傳輸遠距離的信號，則需要有效率高的功率放大器，然后經(jīng)天線輻射出去。

四、調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)的改進與設(shè)計

在前面介紹了調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，它們在各部分都發(fā)揮著重大的作用，是必不可少的。在不影響其它性能指標的前提下，對各部分電路的設(shè)計也都有了比較成熟的產(chǎn)品。比如，對遠距離的調(diào)頻發(fā)射器，振蕩環(huán)節(jié)都采用頻率穩(wěn)定的石英晶體振蕩器，有利于高頻信號的傳輸;調(diào)制器大都采用工作頻率高，固有損耗小且線路簡單，能獲得較大頻偏的變?nèi)荻O管進行調(diào)制。這些指標即使改進電路對發(fā)射距離也沒有明顯的提高。然而，如果提高輸出功率卻能大大提高發(fā)射距離，也是最有效的途徑，這主要體現(xiàn)在高頻功率放大這一環(huán)節(jié)。高頻功率放大器過去雖然都采用C類放大，但其效率仍然比較低，不利于遠距離的發(fā)射，因此對我們的改進和設(shè)計提出了新的要求。下面將介紹D類放大電路的輸出功率和效率對發(fā)射系統(tǒng)的影響。

1.功能及指標

調(diào)制信號的有用信息由高頻載波信號攜帶傳輸發(fā)射，一般情況下，高頻振蕩器所產(chǎn)生的高頻振蕩信號的功率很小，不能滿足發(fā)射機天線對發(fā)射功率的要求，并且增大發(fā)射功率也是提高發(fā)射距離最有效的途徑之一。在以往的功率放大器的設(shè)計中，主要是以C類放大器為主，因為其相對輸出功率和效率比較大。

功率放大電路的主要要求是獲得一定的不失真(或失真很小)的輸出功率，需要考慮以下指標：

(1)要求輸出功率盡可能大：機要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因此器件往往在接近極限運用狀態(tài)下工作。

(2)效率要求更高：要求輸出功率大，則在相同的直流電源下，要求功耗盡可能小，即要求負載得到的有用信號功率與電源供給的直流功率的比值越高，效率則越高。

(3)非線性失真要求盡量?。和还Ψ殴茌敵龉β试酱螅蔷€性失真往往越嚴重，這就使輸出功率和非線性失真成為一對主要矛盾。失真度是發(fā)射系統(tǒng)最重要的性能指標之一。

(4)要求功率器件的散熱低：在功率放大電路中，有相當大的功率消耗在管子的集電結(jié)上，使結(jié)溫和管殼溫度升高，為了充分利用允許的管耗而使管子輸出足夠大的功率，需要盡可能減少管子的散熱。

2.D類功率放大器

(1)原理分析

D類功率放大器是用音頻信號的幅度去線性調(diào)制高頻脈沖的寬度，功率輸出管工作

在高頻開關(guān)狀態(tài)，通過LC低通濾波器后輸出音頻信號。由于輸出管工作在開關(guān)狀態(tài)，故具有極高的效率。理論上為100%，實際電路也可達到80%～95%，因此D類功率放大器屬于開關(guān)式電路，有電壓開關(guān)型和電流開關(guān)型兩種基本電路，先采用電壓開關(guān)型電路。

圖2 H橋式電路原理圖

①兩組晶體管采用BJT三極管，則：晶體三極管需要較大的驅(qū)動電流，并存在儲存時間，開關(guān)特性不夠好，使整個功放的靜態(tài)損耗及開關(guān)過程中的損耗較大。不利于減小管耗。

②采用VMOSEET管：由于VMOSEET管具有較小的驅(qū)動電流、低導(dǎo)通電阻及良好的開關(guān)特性，能大大減小功率在管子中的損耗，這也是區(qū)別于其他線性功率放大器的最重要特點。所以在實際電路中我們采用VMOSEET管。

輸入的模擬低頻信號經(jīng)過第一部分的脈寬調(diào)制(PWM)，形成高低電平形式的數(shù)字信號，然后加到由兩個特性配對的同型功率管VT1和VT2形成的功率放大部分的輸入端，兩個功率管經(jīng)過比較器的比較分別工作，這是第二部分。第三部分是低通濾波器后接負載。

(2)電路改進及分析

第一部分：脈寬調(diào)制信號。該部分由比較器和三角波發(fā)生器的集成電路組成的將音頻信號調(diào)制成周期不變，但占空比變化的產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號的電路。各部分的功能清晰，實現(xiàn)靈活，便于調(diào)試。若合理的選擇器件參數(shù)，可使其能在較低的電壓下工作。

第二部分：功率放大信號。

圖2中采用H橋電路，其電流電壓原理可參考文獻。其中A1，A2為一組，當脈寬調(diào)制信號為高電平時導(dǎo)通，低電平時截止，而B1，B2為另一組，通斷情況與A1，A2相反，這兩組功率管相當于一個開關(guān)，在不同的時間段工作，可以分析出，兩組功率管導(dǎo)通和截止的轉(zhuǎn)換時間決定了其輸出波形的好壞，以及管耗的多少，即要求第一部分產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號的高低電平的過渡時間越短越好。

若調(diào)制后的激勵信號為w的矩形脈沖信號，且其幅值足夠大，足以使u為高電平時A1，A2飽和導(dǎo)通，輸出波形，如下圖3(b)，B1，B2飽和截止;u為低電平時B1，B2飽和導(dǎo)通，輸出波形，如下圖3(c)，A1，A2飽和截止。

由圖可以看出，每個時刻都有電流流過負載Rl，如下圖3 (d)。實際上，流過負載RL的電流i1是由上下兩管飽和導(dǎo)通時的電流合成的，因而，當u為高電平時A1，A2飽和導(dǎo)通，有電流i1，但由于其飽和壓降近似為零，使A1，A2的功耗也近似為零，此時B1，B2截止，電流i2為零，B1，B2的功耗也為零。同理，B1，B2在低電平導(dǎo)通時，A1，A2由于截至功耗也為零。可見，盡管每管飽和導(dǎo)通時的電流很大，但相應(yīng)的管壓降很小，這樣，每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高，理想情況下可達到100%。

第三部分：低通濾波器

該濾波電路是一個通帶較平坦的雙極型巴特沃思濾波器。原理圖中的L1=L2，C1=C2=C3，電感與電容分別構(gòu)成濾波器，RL是負載。雙極型濾波器的對稱性與第二部分的H橋電路的對稱性相對應(yīng)，以改善濾波效果。

圖3 電流原理波形圖

(3)輸出功率及效率分析

由于u是矩形方波，用傅立葉級數(shù)展開后可求得其基波分量的振幅為，在振蕩器回路Q值較高且諧振于角頻率w時，A1，A2管的電流i1(或B1，B2管的電流i2)的直流分量為

上式積分的上限為T/2，是因為A1，A2，B1，B2只在半個周期內(nèi)有電流通過。

電源供給的支流功率PD=2EcID，將上式代入，可得

效率η=PO/PD，代入以上兩式，可得η=100%

實際上，晶體管的飽和壓降不可能為零，又考慮到管子結(jié)電容，電路分布電容的影響，從而使 D類功放的效率小于100%。［6］257

利用multisim軟件對電路進行仿真：

實際圖為：

圖4 D 類 功率 放大器 仿真 電路

圖中采用的是阻抗小的MOS管，所需要的電流小，并且開關(guān)特性也很強。然后采用了雙極型巴特沃思濾波器，減小得到波形的失真度。

A通道為第一部分由比較器等集成電路產(chǎn)生的調(diào)制矩形脈沖;B通道為經(jīng)過對稱的MOS管D類功率放大器放大后，在負載上得到的高頻放大信號。從電路圖中可以看到，所加的直流電壓為5V，而得到的波形峰峰值達到了30V，功率得到放大，并且此波形失真度也較小。

當然，單從D類放大這一環(huán)節(jié)來看，其頻率響應(yīng)是不夠理想的，但采用H橋式的D類功率放大，得到的信號的頻率響應(yīng)足以適合多種電子設(shè)備的功能應(yīng)用。

五、結(jié)束語

發(fā)射系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)對其性能都起著決定性的作用，而高頻功率放大器的改進能提高效率，減小功耗，提高輸出功率，從而增大發(fā)射距離，改善整個發(fā)射系統(tǒng)。采用數(shù)字式的D類功率放大器來代替慣用的C類功率放大器，并通過濾波器得到失真較小的信號，可使發(fā)射系統(tǒng)性能大為改善。

然而，因為輸出功率與失真度是相互矛盾的，所以此類功放管由于提高輸出功率而增大了失真度。怎樣在高輸出功率的情況下得到高保真的信號，這是我們該進一步需要改進和設(shè)計的地方。

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Improved and Design the FM Transmission Systems JingShi Vocational Secondary School

LU Ying
(Jinshi Vocational Secondary School，Changde 415400，Hunan)

Based on the analysis of FM(Frequency modulation)transmitter system，F(xiàn)ound that the lower output power and lower efficiency Limited transmission distance.It Indicate that From the PA in the launch system，under the relatively undistorted output waveform，use the Class D high－frequency power amplifier to increase the output power，Improve the transmission distance of Launch system.

frequency modulation;launch system

TN852

A

1671－5004(2010)03－0021－03

2010－04－26

盧 鷹 (1973－)，男，湖南津市人，津市職業(yè)中專副校長。