摘 要： 高頻功率放大器是通信系統(tǒng)發(fā)送設(shè)備的重要組成部分，在此利用Multisim仿真軟件對(duì)高頻功率放大器的調(diào)制特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明基極調(diào)制比集電極調(diào)制所需的調(diào)制功率更小，與理論分析一致；與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，仿真分析結(jié)果形象直觀，容易理解，仿真實(shí)驗(yàn)更能激發(fā)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。

關(guān)鍵詞： 高頻功率放大器； 調(diào)制特性； Multisim； 仿真實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TN722?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）03?0082?03

Analysis for modulation characteristics of high?frequency power amplifier

HUO Wen?xiao， CHE Xiao?yan， HU Xin?yan

（College of Science and Information， Qingdao Agricultural University， Qingdao 266109， China）

Abstract： High?frequency power amplifier is the important part of the transmitter in communication system. Its modulation characteristics are analyzed with Multisim in this paper. The result indicates that the modulation power for base modulation is less than that of collector modulation. This is consistent with theoretical analysis. The simulation analysis result is more visual and easier to understand than traditional experiment result. Simulation experiment can motivate student more than normal experiment.

Keywords： high?frequency power amplifier； modulation characteristic； Multisim； simulation experiment

0 引 言

高頻功率放大器是通信系統(tǒng)發(fā)送設(shè)備的重要組成部分[1?2]。它的主要功能是可以提供足夠大的高頻輸出功率，以便將信號(hào)通過天線輻射出去。高頻功率放大器的另外一個(gè)作用是可以構(gòu)成高電平調(diào)幅電路，利用調(diào)制信號(hào)控制放大器的輸出，這樣既可以實(shí)現(xiàn)調(diào)幅，又能夠兼顧功率和效率。因此，討論高頻功率放大器的調(diào)制特性非常必要。

高頻實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用的實(shí)驗(yàn)箱雖然也可以實(shí)現(xiàn)調(diào)幅功能，但是因?yàn)楣ぷ髟诟唠娖降碾娐泛苋菀讚p壞[3]，且電路固定，學(xué)生所能做的操作僅僅只是連接幾根導(dǎo)線，這與課本上的理論知識(shí)聯(lián)系不緊密，無法調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。使用仿真軟件可以很好地克服這個(gè)缺點(diǎn)[4?5]。仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生自己設(shè)計(jì)電路，自己確定測量對(duì)象或測量方式。這樣既加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，又鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性[6?8]。

本文使用Multisim仿真軟件對(duì)高頻功率放大器的調(diào)制特性進(jìn)行分析。根據(jù)分析結(jié)果，設(shè)計(jì)調(diào)幅電路，查看調(diào)幅結(jié)果，并對(duì)兩種調(diào)幅電路進(jìn)行比較。

1 高頻功率放大器仿真電路

根據(jù)高頻功率放大器的原理圖[2]，設(shè)計(jì)仿真分析電路如圖1所示。

圖中：[Vb]為基極激勵(lì)電壓，即高頻信號(hào)輸入，振幅為1 V、頻率1 MHz；[VBB]為基極偏置電壓，為了保證工作在丙類狀態(tài)，[VBB]為-1 V；[VCC]為集電極偏置電壓，大小12 V；諧振回路中電感[L]取126 μH；電容[C]取200 pF；負(fù)載電阻[R]取20 kΩ。

2 負(fù)載特性

高頻功率放大器的負(fù)載特性是指在輸入信號(hào)和偏置電壓不變的條件下，放大器的集電極電流電壓隨負(fù)載電阻的變化關(guān)系[2]。電阻分別選擇0.5 kΩ，1 kΩ，10 kΩ，20 kΩ，50 kΩ時(shí)觀察集電極電壓波形，如圖2所示。

從波形圖可以觀察到當(dāng)電阻在小于10 kΩ，波形振幅變化較大，說明此時(shí)處于欠壓狀態(tài)。當(dāng)電阻在10～50 kΩ之間變化時(shí)，輸出波形變化不大，說明此時(shí)處于過壓狀態(tài)。

結(jié)論：隨著負(fù)載的增大，電壓從迅速增大到基本保持不變，這個(gè)過程也就是課本上所說的從欠壓進(jìn)入到過壓狀態(tài)。因此可適當(dāng)調(diào)整負(fù)載大小，以保證放大器工作在過壓或欠壓狀態(tài)。

3 集電極調(diào)制特性

高頻功率放大器的集電極調(diào)制特性是指在輸入信號(hào)[Vb、]負(fù)載電阻[R、]基極偏置電壓[VBB]不變的條件下，功率放大器的輸出隨電源電壓[VCC]變化關(guān)系[9]。

3.1 [VCC]對(duì)工作狀態(tài)的影響

當(dāng)輸入信號(hào)[Vb、]負(fù)載電阻[R、]基極偏置電壓[VBB]不變時(shí)，隨[VCC]的增大，放大器的工作狀態(tài)從過壓區(qū)到臨界再進(jìn)入欠壓區(qū)[2]。若負(fù)載電阻[R]設(shè)置為20 kΩ，保證放大器工作在過壓狀態(tài)。集電極電源電壓分別選擇2 V，12 V，20 V，對(duì)應(yīng)集電極電壓輸出波形如圖3所示。從輸出波形可以觀察到此時(shí)輸出波形的頻率不變，振幅隨[VCC]呈線性變化。

3.2 集電極調(diào)幅電路

根據(jù)集電極的調(diào)制特性，可以實(shí)現(xiàn)集電極調(diào)幅，即將調(diào)制信號(hào)與直流電源[VCC]串聯(lián)，并保證放大器工作在過壓狀態(tài)，那么集電極回路輸出的高頻電壓振幅將隨調(diào)制信號(hào)的波形而變化，實(shí)現(xiàn)了調(diào)幅。仿真電路如圖4所示。調(diào)制信號(hào)為正弦波，頻率1 kHz，振幅取3 V，與[VCC]串聯(lián)。

通過示波器觀察諧振回路輸出波形為普通調(diào)幅波，如圖5所示，包絡(luò)變化與調(diào)制信號(hào)頻率相同、相位相反。調(diào)幅度可通過調(diào)整調(diào)制信號(hào)振幅實(shí)現(xiàn)。

4 基極調(diào)制特性

高頻功率放大器的基極調(diào)制特性是指在輸入信號(hào)[Vb、]負(fù)載電阻[R、]集電極偏置電壓[VCC]不變的條件下，功率放大器的輸出隨電源電壓[VBB]變化關(guān)系[9]。

4.1 [VBB]對(duì)工作狀態(tài)的影響

當(dāng)輸入信號(hào)[Vb、]負(fù)載電阻[R、]集電極偏置電壓[VCC]不變時(shí)，隨[VBB]的增大，放大器的工作狀態(tài)從欠壓區(qū)到臨界再進(jìn)入過壓區(qū)。[VBB]取值分別為0.05 V，0.07 V，0.1 V，0.3 V，對(duì)應(yīng)的集電極電壓輸出如圖6所示。

從圖6所示輸出波形可以觀察到此時(shí)輸出波形頻率不變，振幅隨[VBB]成線性變化。當(dāng)[VBB]超過0.6 V時(shí)，輸出電壓振幅基本不變，即已進(jìn)入過壓狀態(tài)。

4.2 基極調(diào)幅電路

根據(jù)基極調(diào)制特性，可以實(shí)現(xiàn)基極調(diào)幅，即將調(diào)制信號(hào)與直流電源[VBB]串聯(lián)，并保證放大器工作在欠壓狀態(tài)，那么集電極回路輸出的高頻電壓振幅將隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，于是得到調(diào)幅波輸出。

仿真電路如圖7所示。調(diào)制信號(hào)為正弦波，頻率20 kHz，振幅取40 mV，與[VBB]串聯(lián)。[VBB]取值為0.04 V，以保證放大器工作在欠壓狀態(tài)。為了使觀察效果明顯，激勵(lì)信號(hào)[V4]振幅調(diào)整為0.5 V。

通過示波器觀察諧振回路輸出波形為普通調(diào)幅波，如圖8所示。從圖中可看包絡(luò)變化與調(diào)制信號(hào)頻率相同、相位相同。由此可知調(diào)幅度可通過調(diào)整調(diào)制信號(hào)振幅實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié) 論

本文使用Multisim仿真軟件對(duì)高頻功率放大器的調(diào)制特性進(jìn)行了仿真測試。仿真結(jié)果顯示了集電極調(diào)幅所需要的調(diào)制信號(hào)振幅較大，即此時(shí)需要大功率的調(diào)制信號(hào)源；而基極調(diào)幅所需調(diào)制信號(hào)振幅很小，此時(shí)所需調(diào)制功率很小。這也是兩種高電平調(diào)幅的主要區(qū)別。

與實(shí)驗(yàn)箱測試相比，使用Multisim進(jìn)行仿真測試不但鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，還充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，提高了學(xué)生的創(chuàng)新主動(dòng)性。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾興雯，劉乃安，陳健.高頻電路原理與分析[M].4版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

[2] 張肅文.高頻電子線路[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3] 馬英.高頻電子線路實(shí)驗(yàn)箱利弊的思考[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2007，5（2）：93?94.

[4] 車曉巖，胡新艷.高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].價(jià)值工程，2014，33（8）：233?234.

[5] 車曉巖，霍文曉.高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的初步探索[J].科技信息，2014（5）：135?137.

[6] 任丹.基于Multisim的高頻功率放大器特性分析[J].遼東學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，18（2）：114?117.

[7] 朱高中.基于Multisim的高頻諧振功率放大器仿真實(shí)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013（2）：92?94.

[8] 鄭文.基于Multisim的高頻功率放大器仿真分析[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2014，12（1）：22?23.

[9] 雄偉，侯傳教，梁青，等.Multisim 7電路設(shè)計(jì)及仿真應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.