侯長波，彭艷華，陳 捷

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

通信電子線路是一門具有工程特點和實踐性很強的課程，很多高校都開設(shè)了其實驗課程。但是由于該課程涉及的工作頻率較高和電路非線性的特點，實驗的開設(shè)具有一定的難度和局限性。因此，驗證性的實驗所占比重較大，尤其是系統(tǒng)級實驗[1-2]。隨著現(xiàn)代社會研究性人才的需求，很多高校都在進行電子技術(shù)實驗教學(xué)的改革，增設(shè)綜合設(shè)計性實驗。這類實驗對于學(xué)生來說既有綜合性又有探索性，主要側(cè)重于所學(xué)理論知識的綜合應(yīng)用，對于提高學(xué)生的工程實踐能力非常有益，是當(dāng)前電子線路實驗發(fā)展的趨勢。

哈爾濱工程大學(xué)通信電子線路教學(xué)課程組一直致力推進實驗教學(xué)改革[3-5]，經(jīng)過多年改革實踐，將通信電子線路實驗課程分為基礎(chǔ)實驗和課程設(shè)計。課程設(shè)計是在修完16學(xué)時的基礎(chǔ)實驗之后，在第6學(xué)期開設(shè)?；A(chǔ)實驗側(cè)重于單元級電路，而課程設(shè)計注重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)電路的設(shè)計、調(diào)試技能，包含5個綜合設(shè)計性實驗選題，分別為調(diào)幅發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)幅接收系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)頻接收系統(tǒng)的設(shè)計和自擬實驗項目。每個實驗項目均為16學(xué)時，根據(jù)難易程度分為A、B、C三個等級，三個等級分別賦予1.0、0.9、0.8三個權(quán)重，學(xué)生可根據(jù)自身情況自由選擇其中的一個項目。經(jīng)過4年教學(xué)實踐，課程的開設(shè)切實提高了學(xué)生工程實踐能力和創(chuàng)新能力，受到了學(xué)生一致好評，課程在2013年和2015年都獲評為“哈爾濱工程大學(xué)實驗示范課程”。

調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計作為課題中的典型代表，具有極強的綜合性和探索性。本文首先提出調(diào)頻發(fā)射機實驗項目的內(nèi)容及要求，然后設(shè)計實驗電路并進行仿真，最后對實驗的測試數(shù)據(jù)進行分析論述，希望能給其他高校開設(shè)通信電子線路課程設(shè)計提供一定的借鑒和幫助。

1 項目內(nèi)容及要求

調(diào)頻發(fā)射機的目的是把音頻信號加載到較高頻率的載波上，以足夠的功率發(fā)射到空中。因此，工程上多以發(fā)射功率、頻率穩(wěn)定度及整機效率等指標來衡量發(fā)射機性能。課程組從實際應(yīng)用和工業(yè)實踐出發(fā)，結(jié)合理論教學(xué)知識，綜合學(xué)生基本技能掌握情況提出了關(guān)于調(diào)頻發(fā)射機的基本要求：載波頻率為12 MHz，同時保證頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-3；最后在50 Ω負載上測量得到發(fā)射功率PO≥30 mW；整機效率η≥40%。

2 實驗電路設(shè)計與仿真

2.1 實驗項目整體框架設(shè)計

相對于傳統(tǒng)的調(diào)幅發(fā)射機，調(diào)頻發(fā)射機通過采用頻率調(diào)制技術(shù)，打破了傳統(tǒng)的傳輸特性，使得可靠性越來越高。調(diào)頻系統(tǒng)由于高頻振蕩器輸出的振幅不變而具有較強的抗干擾能力和較高的效率[6]。但是，此時的輸出電壓和電流均沒有達到發(fā)射功率的要求。因此在振蕩器后加入高頻功放進行功率放大，最后將符合要求功率要求的調(diào)頻信號由天線輻射到空間進行傳播。故而得到如圖1所示的發(fā)射機系統(tǒng)基本框圖。

圖1 調(diào)頻發(fā)射機整體框圖

2.2 振蕩電路的設(shè)計與仿真

頻率調(diào)制有兩種方式，一種是先對音頻信號積分，得到新的音頻信號，然后對載波進行相位調(diào)制，形式上載波調(diào)相，實際得到的是一個調(diào)頻波；另一種是用音頻信號控制振蕩器的振蕩頻率。對于調(diào)制的是LC振蕩器時，振蕩頻率取決于回路參數(shù)L和C，所以設(shè)法使L或C的大小隨音頻信號的變化而變化，就能達到直接調(diào)頻的目的[7]。考慮到使用變?nèi)荻O管可以方便地改變振蕩回路的頻率，最終采用直接調(diào)頻來進行音頻信號的調(diào)制。如圖2所示，在變?nèi)荻O管兩端加一反向電壓VQ使得變?nèi)荻O管的結(jié)電容Cj為Q，隨后加入音頻信號UΩm，使得結(jié)電容受音頻信號電壓控制而發(fā)生變化。當(dāng)結(jié)電容與L組成振蕩回路時，就可以改變振蕩電路的頻率。

圖2 變?nèi)荻O管工作圖

把變?nèi)荻O管與頻率穩(wěn)定度較高的西勒振蕩電路結(jié)合，就得到如圖3所示的振蕩電路圖。電路中，R1、R2、R3、R4用來控制三極管9014的靜態(tài)，保證工作在放大區(qū)。C2、C3的選擇決定著接入系數(shù)的大小。電路中取F≈C3/C2=0.5,結(jié)合三極管電壓增壓A0保證西勒振蕩電路能夠起振。R8、R5、R6、R7和C5為變?nèi)荻O管BB910提供反向偏壓，故而通過調(diào)節(jié)電位器R8就可以改變其結(jié)電容，產(chǎn)生符合要求的載波中心頻率，然后加入音頻信號就可實現(xiàn)調(diào)頻。

圖3 西勒振蕩仿真電路圖

在Multisim中進行仿真電路振蕩驗證[8]。由于設(shè)計的振蕩電路放大倍數(shù)不大，所以電路完全振蕩出正弦波的時間比較長，通過示波器可以看到如圖4所示的起振過程。在振蕩穩(wěn)定后微調(diào)滑動變阻器的值得到如圖5所示的合適幅度、符合要求的振蕩頻率信號。

圖4 起振仿真過程

圖5 振蕩穩(wěn)定仿真結(jié)果

2.3 高頻功放電路的設(shè)計與仿真

考慮到振蕩器的輸出遠遠不能滿足輸出功率的要求，因此需要進行功率放大。同時須保證放大不會產(chǎn)生反向干擾。一般的設(shè)計是在振蕩器后面接射極跟隨器，但是性能較差。在負載較小時，輸出失真很大，所以后來普遍采用共射電路，這樣使得輸入的波形更加干凈，更像正弦波[9]。由于要從發(fā)射機得到大于30mW的功率，這就需要增加一個功率放大器。結(jié)合前級共射放大電路的推動，可以獲得更高的增益和輸出，進而獲得更高的功率輸出?？紤]到整機的效率要求，末級采用丙類功率放大器，級間通過變壓器耦合[10]進行信號傳輸。根據(jù)頻率范圍選擇了鎳鋅鐵氧體，緩沖輸出變壓器具有15∶6的匝數(shù)比，通過在鎳鋅材料的磁環(huán)上繞制得到，通過匝數(shù)比的平方得到放大器的等效集電極電阻，以獲得極大的電壓增益。另外，輸出不被調(diào)諧，使得電路在寬頻率范圍內(nèi)工作性能良好。功放電路如圖6所示。

圖6 功放電路仿真電路圖

通過電阻R9、R10、R12確定第一級放大電路的靜態(tài)工作點，使其工作在線性放大區(qū)。設(shè)計電路參數(shù)使得電壓放大后足夠推動末級，因此末級電路的穩(wěn)定性至關(guān)重要。用10Ω射級電阻進行衰減，形成基極直流偏壓的自給偏置電路，并且把1kΩ負載置于基極，一方面保證通過變壓器加載到丙類功放上的交流電壓幅度足夠大，另一方面為三極管提供合適的靜態(tài)工作電壓，以保證放大器工作穩(wěn)定[9]。此外，電路在設(shè)計時重點考慮輸出端的匹配，在獲得最大輸出功率的情況下，三極管臨界狀態(tài)下集電極輸出的最大等效電阻RL=[(VCC-VCES)2/2]·PO。其中，VCC為電源電壓，VCES為功放的飽和壓降。查閱三極管的數(shù)據(jù)手冊得到9014的飽和壓降為0.3V。由要求的PO=30mW，可以求出RL。因為50Ω負載與RL之間必須采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)[11]以獲得功率的最大化，選擇由L3、L4、C15組成的T型網(wǎng)絡(luò)?？紤]到三極管本身的非線性，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電容C5來保證阻抗的最佳匹配。

圖7 示波器輸出測量結(jié)果

3 實驗數(shù)據(jù)測試及分析

3.1 各個部分數(shù)據(jù)測量分析

斷開振蕩電路與后級功放電路的連接，用萬用表測量各級電路的靜態(tài)電壓值，只有合適的靜態(tài)才能使得電路能夠起振[12]、功率放大。測量結(jié)果如表1所示。

表1 三極管靜態(tài)電壓(V)

表1得到的各個三極管靜態(tài)電壓符合工作狀態(tài)要求，隨后在不加音頻信號時，斷開振蕩電路與后級的連接，用示波器測量輸出波形，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使輸出載波信號頻率為12MHz，用頻率計測量輸出頻率穩(wěn)定度。測量頻率穩(wěn)定度f表格如表2所示，每間隔5min測量一次，對應(yīng)可以得到如圖8所示的振蕩器輸出波形。

表2振蕩器穩(wěn)定度(MHz)

f0f0ΔfΔf112.0143212.0142312.0148412.0144512.0142612.013512.01440.00010.00020.00040.00000.00020.00013.33×10-5

圖8 振蕩器輸出波形

由上表的數(shù)據(jù)可知頻率穩(wěn)定度滿足要求，由文獻[13]可知，西勒振蕩電路通過與電感并聯(lián)小電容保證晶體管與回路耦合弱的特點，頻率穩(wěn)定度高。同時此電容的接入使得接入系數(shù)不受其影響，所以整個頻段中振蕩幅度比較平穩(wěn)。

3.2 整機數(shù)據(jù)測量分析

圖9 輸出端實測波形

表3輸出端測量數(shù)據(jù)

電源電壓/V電源電流/mA輸出電壓/V輸出功率/mW效率/η5.025.65.164.550.5%

最后通過信號源給出頻率為10kHz，峰峰值為1VPP的音頻信號，由于變?nèi)荻O管接入三點式正弦振蕩電路，使其兩端等效電容成為回路總電容的一部分。通過提供的直流偏壓得到12MHz的載波信號，根據(jù)變?nèi)荻O管的特性，等效電容的大小隨著加入音頻信號的變化而變化。完成頻率調(diào)制后的信號再通過后級的功放將其放大到足夠的發(fā)射功率。通過天線向空間發(fā)射，使得整個系統(tǒng)成為滿足參數(shù)要求的調(diào)頻發(fā)射機[14]。在50Ω負載測試得到的結(jié)果如圖10所示。

圖10 調(diào)制后的輸出波形

4 實驗中遇到的問題及研究

1)最終輸出電壓緩慢衰減。由于丙類功率放大器電路設(shè)計為自給反向偏置式，基極電阻過小時，只有在前級提供較大的電壓下，電路才能工作。即便電路進入工作狀態(tài)，此時電路也無法達到臨界狀態(tài)，最終導(dǎo)致匹配電路失配程度不斷加大，直到完全失配，此時輸出電壓衰減為零。經(jīng)過仿真計算，最終確定基極電阻應(yīng)大于200Ω。

2)振蕩器輸出波形失真。由于參數(shù)設(shè)計不合理，接入系數(shù)F沒有滿足0.1～0.5的區(qū)間要求；另外，設(shè)計的電路放大倍數(shù)A0太大，使得A0F>2，導(dǎo)致三極管平衡后工作狀態(tài)為丙類，在電感值Q不夠高的情況下，輸出波形容易失真。

4)輸出功率與計算值誤差較大。一方面在于計算匹配電路以及功率放大器時，均在臨界工作狀態(tài)下得到，三極管的非線性很難保證工作在此狀態(tài)；另一方面，變壓器存在選頻特性，同時還有漏感。

5 結(jié)束語

文章由調(diào)頻發(fā)射機的項目內(nèi)容著手，進行實驗電路的理論分析與仿真設(shè)計，最后給出符合理論分析的實測結(jié)果。對學(xué)生較難理解的部分，均在資料查閱后給予論述說明，實驗內(nèi)容不僅僅涉及通信電子線路課程，還涉及模擬電子技術(shù)以及射頻技術(shù)，有的問題甚至超越了理論課程范疇，這對學(xué)生能力提升有極大的幫助。

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