摘要：本文探討了廣播調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)中功率放大器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，通過采用高效率功率放大器設(shè)計(jì)、分級(jí)功率放大、功率合并器以及功率控制與反饋調(diào)節(jié)等技術(shù)，旨在提高廣播信號(hào)的傳輸效率和覆蓋范圍，為調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)的性能提升提供重要參考。

關(guān)鍵詞：廣播調(diào)頻發(fā)射；功率放大器；優(yōu)化設(shè)計(jì)；增益控制

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.03.022

中圖分類號(hào)：TN 710；TN 93 " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B " " " " " "文章編碼：1672-7274（2025）03-00-03

Optimization Design of Power Amplifiers in FM Broadcasting Transmitting Systems

LV Hanjun

（No. 841 Station of Inner Mongolia Autonomous Region Radio and Television Transmission and Emission Center， Hohhot 010000， China）

Abstract： This paper discusses the optimization design of power amplifiers in FM broadcasting transmitting systems. By adopting technologies such as high-efficiency power amplifier design， hierarchical power amplification， power combiners， and power control and feedback regulation， it aims to improve the transmission efficiency and coverage range of broadcast signals， providing an important reference for the performance improvement of FM broadcast transmitters.

Keywords： FM broadcasting transmission; power amplifier; optimization design; gain control

0 " 引言

在廣播調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)中，功率放大器作為核心組件，其性能直接影響著廣播信號(hào)的傳輸質(zhì)量和覆蓋范圍。傳統(tǒng)的功率放大器設(shè)計(jì)往往存在效率低下、能耗較高以及信號(hào)失真等問題，難以滿足現(xiàn)代廣播系統(tǒng)的需求。因此，對(duì)功率放大器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。本文旨在探討廣播調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)中功率放大器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過深入分析功率放大器的工作原理及性能指標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展成果，提出了一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。這些方案包括采用高效率功率放大電路、實(shí)施分級(jí)功率放大策略、優(yōu)化功率合并器結(jié)構(gòu)以及加強(qiáng)功率控制與反饋調(diào)節(jié)等。本文將對(duì)為廣播調(diào)頻發(fā)射機(jī)的性能提升提供有力支持，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1 " 功率放大器的基本原理與設(shè)計(jì)需求

1.1 功率放大器的工作原理

功率放大器的基本工作原理是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，使其達(dá)到系統(tǒng)要求的輸出功率，以確保輸出信號(hào)具有足夠的強(qiáng)度。根據(jù)工作效率和線性度的要求，功率放大器主要分為A類、B類、AB類和C類。其中，A類放大器在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)均有電流通過，具有極高的線性度，但效率較低，適合低功率、精度要求高的場景。B類放大器在信號(hào)的正負(fù)半周期分別導(dǎo)通，效率高于A類，但容易產(chǎn)生交越失真，常用于中等精度的應(yīng)用。AB類放大器結(jié)合了A類和B類放大器的特性，適當(dāng)提升了效率并降低了失真，是一種性能和效率的折中選擇。C類放大器只在信號(hào)峰值時(shí)導(dǎo)通，效率最高，但失真較大，通常應(yīng)用于對(duì)失真要求不高的高頻功率放大場合。

1.2 功率放大器在FMTE系統(tǒng)中的技術(shù)要求

FMTE系統(tǒng)的功率放大器的主要任務(wù)是將調(diào)制后的音頻信號(hào)放大到足夠的輸出功率，以確保信號(hào)在傳播過程中克服環(huán)境衰減，保持高質(zhì)量傳輸。FMTE系統(tǒng)對(duì)功率放大器的具體技術(shù)要求包括高線性度、低失真、寬帶響應(yīng)、高效率及良好的散熱能力。功率放大器在確保信號(hào)增益的同時(shí)，需確保線性放大信號(hào)幅值，避免諧波失真及交叉失真，以提升信號(hào)的傳輸質(zhì)量[1]。放大器電路見圖1。

圖1顯示的是一個(gè)音頻功率放大器電路示意圖，輸入信號(hào)ui從左下方進(jìn)入，通過電位器RP1進(jìn)行初步調(diào)節(jié)，然后經(jīng)過耦合電容C1輸入到放大電路中。電容C1主要用于隔離直流成分，僅讓交流信號(hào)通過。輸入信號(hào)進(jìn)入三極管VT1和VT2的前置放大級(jí)，將微弱的音頻信號(hào)進(jìn)行放大。電阻RE1和RE2組成分壓電路，為三極管提供穩(wěn)定的偏置電壓，確保放大器工作在合適的工作點(diǎn)。經(jīng)過前置放大級(jí)放大后的信號(hào)，經(jīng)過VT3和VT4等推動(dòng)級(jí)放大提升電流能力，為最終的功率輸出做準(zhǔn)備。電路中使用了電容C2、C3等進(jìn)行濾波，以消除信號(hào)中的高頻噪聲。經(jīng)過推動(dòng)放大后的信號(hào)進(jìn)入輸出級(jí)VT5和揚(yáng)聲器Y1。C5為輸出電容，用于隔離直流成分，確保僅有交流信號(hào)進(jìn)入揚(yáng)聲器。電路中的反饋電阻和電容（如R15和C9）用于穩(wěn)定電路工作狀態(tài)，抑制自激振蕩，確保放大器在穩(wěn)定狀態(tài)下工作，提供清晰的音頻信號(hào)。

1.3 功率放大器的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

散熱能力直接影響功率放大器的穩(wěn)定性和使用壽命，在功率放大器運(yùn)行過程中，輸入的電能不可能全部轉(zhuǎn)換為輸出功率，不可避免地會(huì)產(chǎn)生熱量。如果熱量不能及時(shí)有效地散發(fā)，功率放大器的溫度會(huì)不斷升高，可能導(dǎo)致元件失效或性能下降。功率放大器的散熱性能通常通過熱阻（單位：℃/W）來衡量，熱阻越低，散熱效果越好。設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇合適的散熱片、散熱風(fēng)扇或者主動(dòng)冷卻系統(tǒng)來有效降低熱阻，確保放大器在高功率輸出下保持穩(wěn)定的工作溫度。FMTE系統(tǒng)要求功率放大器的熱阻低于20℃/W，以保證其在持續(xù)工作狀態(tài)下不會(huì)因過熱而引發(fā)故障，以便延長設(shè)備的使用壽命并維持信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

功率放大器的設(shè)計(jì)需滿足多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)高性能的信號(hào)放大與傳輸，常包括輸出功率、效率、線性度、帶寬、失真度等，具體數(shù)值見表1。輸出功率決定了信號(hào)的傳播范圍，通常FMTE系統(tǒng)的輸出功率范圍為5 W～50 W，以滿足室內(nèi)和較小室外區(qū)域的信號(hào)覆蓋需求。效率則表示輸入功率轉(zhuǎn)化為輸出功率的比例，效率越高越能減少熱損耗。常用的功率放大器在A類和B類放大模式下，其效率通常分別為20%～30%及50%～70%。

2 " 功率放大器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 增益控制與效率提升

FMTE系統(tǒng)中功率放大器增益控制依賴于電路放大比的穩(wěn)定性，以滿足不同輸入功率的需求。增益控制可以采用反饋網(wǎng)絡(luò)，使得輸出信號(hào)穩(wěn)定在設(shè)定范圍。常用的增益控制方案包括負(fù)反饋控制和自動(dòng)增益控制（Automatic Gain Control）[3]。效率提升的核心在于減少功率損耗，提升功率轉(zhuǎn)換的有效性，A類功率放大器效率在20%到30%之間，而B類和D類功率放大器效率可達(dá)50%到70%。D類放大器的高效率取決于其開關(guān)放大方式，在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)間快速切換，減少了線性放大中的靜態(tài)損耗。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，可選擇不同類別的放大器以平衡效率和增益需求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，B類放大器在30W輸出功率下的效率達(dá)到65%，而同等功率下A類放大器效率僅為25%。表2顯示了不同放大器類型下的效率數(shù)據(jù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)可采用B類或D類放大器，提升系統(tǒng)整體能量利用率。

2.2 線性度優(yōu)化

功率放大器的非線性失真是一個(gè)關(guān)鍵問題，它直接關(guān)乎輸出信號(hào)的質(zhì)量與純度。其中，IMD（交調(diào)失真）和THD（總諧波失真）作為衡量放大器線性度的重要指標(biāo)，其大小直接反映了信號(hào)在放大過程中的扭曲程度。為了有效減小這種非線性失真，提升放大器的線性度，引入反饋網(wǎng)絡(luò)成為一種行之有效的手段。在反饋網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)過程中，選擇恰當(dāng)?shù)呢?fù)反饋系數(shù)至關(guān)重要，它不僅能夠在增益與穩(wěn)定性之間找到最佳平衡點(diǎn)，還能顯著減少失真幅度，從而確保功率放大器輸出信號(hào)的高保真度[4]。根據(jù)表3所示測量數(shù)據(jù)表格可以看出，線性度優(yōu)化在功率提升的情況下，能顯著改善失真度。

3 " 優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法

3.1 增益提升電路的實(shí)現(xiàn)

本電路設(shè)計(jì)融合了負(fù)反饋控制與推挽放大器架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。推挽放大電路通過兩個(gè)晶體管的交替導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的高效放大，產(chǎn)生反相輸出，增加了增益并降低了失真。而負(fù)反饋控制的引入，則像一把精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)器，穩(wěn)定了放大器的增益，有效抑制了非線性失真的產(chǎn)生，極大地提升了放大器的整體性能。反饋回路的精心設(shè)計(jì)，使得信號(hào)的增益變化得以平滑過渡，確保了放大器在各種工作狀態(tài)下都能保持穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

3.2 頻率響應(yīng)調(diào)節(jié)與帶寬擴(kuò)展技術(shù)

帶寬擴(kuò)展通常通過調(diào)節(jié)電路中電感、電容參數(shù)，使放大器覆蓋更寬的頻率范圍。諧振頻率計(jì)算公式為：

（1）

式中，和分別代表電路中的電感和電容，通過使電感和電容的數(shù)值增大或減小，對(duì)放大器的頻響和頻寬進(jìn)行一定范圍的調(diào)節(jié)，以保證在多信號(hào)中均勻放大。帶寬擴(kuò)展也可采用多段放大器設(shè)計(jì)，將各級(jí)放大器連接在不同的帶濾波器上，以平衡頻率反應(yīng)。不同的中心頻率和帶寬相結(jié)合的帶濾波器設(shè)計(jì)，可以保證不同信號(hào)得到均勻的增益。

4 " 系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)際效能分析

4.1 功率放大器在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

為了保證信號(hào)放大過程中的高效率和穩(wěn)定性，功率放大器在FMTE系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)需要從電路架構(gòu)、散熱措施和電源管理等方面考慮。在實(shí)際應(yīng)用中，該放大器采用推進(jìn)式放大設(shè)計(jì)，在不同的信號(hào)周期內(nèi)，利用兩極互補(bǔ)的MOSFET導(dǎo)管分別導(dǎo)通以確保輸出信號(hào)穩(wěn)定，并能有效降低電力損失與非線性畸變，提升信號(hào)品質(zhì)[5]。放大器配備了主動(dòng)散熱與被動(dòng)散熱相結(jié)合的系統(tǒng)，加強(qiáng)了熱管理能力，以適應(yīng)不同的環(huán)境溫度。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)中效能提升分析

優(yōu)化后的功率放大器設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)效能提升有顯著作用。具體效能參數(shù)如增益、效率、功率因數(shù)等，通過式（2）計(jì)算：

（2）

式中，表示放大器的效率，和分別表示輸出功率和輸入功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在優(yōu)化設(shè)計(jì)下，放大器效率由原始設(shè)計(jì)的68%提升至78%。增益性能在優(yōu)化后達(dá)到了36 dB，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的30 dB，優(yōu)化設(shè)計(jì)的線性度控制也顯著改善，采用負(fù)反饋控制方式，使總諧波失真（THD）降低到0.5%以下，達(dá)到了高質(zhì)量音頻信號(hào)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

4.3 FMTE系統(tǒng)整體效能改進(jìn)展望

在優(yōu)化設(shè)計(jì)的強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)下，F(xiàn)MTE系統(tǒng)的整體效能實(shí)現(xiàn)了顯著提升。本實(shí)驗(yàn)采用了經(jīng)過精心優(yōu)化設(shè)計(jì)的FMTE系統(tǒng)，其中包含了升級(jí)的功率放大器、精細(xì)調(diào)校的反饋控制網(wǎng)絡(luò)以及高效的自動(dòng)增益控制（AGC）系統(tǒng)。為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)環(huán)境被嚴(yán)格控制在可控條件下，以最大限度地減少外部干擾的影響。特別是在測試多頻段信號(hào)時(shí)，我們選擇了覆蓋低頻、中頻和高頻范圍的信號(hào)，并對(duì)輸入信號(hào)的功率和頻率在系統(tǒng)工作范圍內(nèi)進(jìn)行了細(xì)致調(diào)整，以全面驗(yàn)證功率放大器的放大效果及增益控制的靈活調(diào)節(jié)能力。

5 " 結(jié)束語

本文探討了廣播調(diào)頻發(fā)射（FMTE）系統(tǒng)的功放優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過深入分析功放的基本原理、關(guān)鍵設(shè)計(jì)需求和性能瓶頸提出增益控制、線性度優(yōu)化、熱管理與散熱設(shè)計(jì)等優(yōu)化策略。實(shí)際應(yīng)用表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)在提高放大器效率、頻率響應(yīng)和穩(wěn)定性方面效果顯著，使FMTE系統(tǒng)的整體性能有了更大的提高。本文提出的可行技術(shù)路徑和優(yōu)化方法，可供未來同類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用，有助于高效可靠地促進(jìn)廣播FM發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)展。

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