諧振功率放大器實驗教學

金偉正， 陶 琴， 楊光義

(武漢大學 電子信息學院， 湖北 武漢 430079)

諧振功率放大器實驗教學

金偉正， 陶 琴， 楊光義

(武漢大學 電子信息學院， 湖北 武漢 430079)

本文介紹一種新型的諧振功率放大器實驗方案，實驗涉及到高頻振蕩器、甲、乙類諧振放大器、丙類倍頻器以及丙類諧振功率放大器。實驗教學表明，該電路實驗效果良好, 學生通過本實驗可以較為全面地理解和掌握高頻諧振功率放大器全部知識點，并為今后進行高頻電路設計打下良好的基礎。

諧振功率放大；高頻；倍頻；級間匹配

0 引言

“高頻電子線路”是電子信息、通信類等專業(yè)本科生的主干基礎課程, 高頻諧振功率放大器是“高頻電子線路”課程教學中的重點、難點[1,2]。高頻諧振功率放大器一般用于發(fā)射機的末級電路，是發(fā)射機電路的主要組成部分。高頻諧振功率放大器的電能消耗往往占到整機耗電量的絕大部分，所以功率放大器工作狀態(tài)的優(yōu)劣以及工作效率的高低就相當重要。

本文介紹了一種新型的高頻諧振功率放大器實驗方案，該實驗方案幾乎涉及到“高頻電子線路”課程的全部內(nèi)容，包括振蕩器、甲、乙類諧振放大器、丙類倍頻器以及丙類諧振功率放大器。實驗教學表明，該實驗效果良好, 學生通過本實驗可以全面地理解和掌握高頻諧振功率放大器全部知識點，并為今后進行設計工作打下良好的基礎。

1 原理介紹

凡是采用諧振選頻網(wǎng)絡作為輸出負載的功率放大器統(tǒng)稱為諧振放大器，其中又分為甲類、乙類和丙類三種常用類型。圖1是放大器工作在三種不同狀態(tài)時的輸入、輸出波形。從圖中可明顯地看出三種工作狀態(tài)特點。甲類放大器工作狀態(tài)具有所需輸入信號幅度小、輸出信號不失真等優(yōu)點，但工作效率較低。乙類、丙類放大器工作狀態(tài)雖然工作效率較高，但是存在著輸出信號失真大、所需輸入信號幅度大等缺點。從工作效率來講，由于丙類諧振功率放大器電壓導通角較小，所以丙類工作狀態(tài)是三種放大器中效率最高的。而作為發(fā)射末級功率放大電路，功耗和效率是主要問題，因此人們往往更注重電路的工作效率[3，4]。為了更好地提高效率，發(fā)射機的高頻末級功率放大器一般均會采用丙類工作方式。而高頻發(fā)射電路的激勵級一般采用乙類放大電路。

圖1 放大器工作在三種狀態(tài)下的工作波形

2 總體設計

實驗電路主要由五級單元電路組成。圖2為實驗電路的系統(tǒng)框圖，圖3為實驗電路圖。從圖中可以看出，電路主要由三部分組成。

圖2 諧振功率放大器實驗電路框圖

第一部分是信號產(chǎn)生電路，由6 MHz正弦波振蕩器和甲類高頻諧振放大器組成。它的作用主要是為下一級提供頻率為6 MHz幅值較大的載波激勵信號。第二部分是倍頻電路，由一個典型的丙類二倍頻器組成。 它的作用主要是將振蕩級的信號進行二倍頻，完成信號從6 MHz到12 MHz的變換。第三部分是功率放大電路，由激勵級(乙類高頻諧振放大器)、末級(丙類高頻諧振功率放大器)兩級電路組成。激勵級負責將前級送來的高頻信號進行電壓放大，使放大后的幅度滿足末級電路對輸入高頻電壓的要求。功率放大電路是測試點最多的一級電路，各測試點主要測試激勵級的基極激勵電壓波形(J6)、集電極電壓波形(J7)、末級集電極電流波形(J8)、放大器輸出電壓波形(J9)及放大器輸出負載電阻值切換開關(guān)狀態(tài)(K2)。

圖3示出全部電路圖，分為(a)(b)兩部分，實際電路中J6_0和J6_1是同一點。

(a)振蕩放大及倍頻電路圖

(b)兩級諧振功率放大器及輸出級電路圖圖3 諧振功率放大器實驗電路圖

3 實驗內(nèi)容及測試結(jié)果

實驗內(nèi)容包括振蕩器、倍頻器、諧振功放器的特性統(tǒng)調(diào)[5]；諧振功率放大器的負載特性、放大特性、調(diào)制特性(包括集電極調(diào)制特性和基極調(diào)制特性)的測試以及諧振放大器輸出功率與工作效率的測量。由于篇幅的限制，本文僅給出諧振功率放大器負載特性的詳細測試方法，其他功能電路僅給出實測的波形及定性分析。

3.1 振蕩器及倍頻器測試

振蕩電路由6 MHz的晶體振蕩器組成。它的主要作用是產(chǎn)生振蕩信號，為后級電路提供輸入信號。實驗過程中，可以在J1端檢測到如圖4所示的振蕩信號，可以看出，晶體振蕩器產(chǎn)生的信號頻率穩(wěn)定在6 MHz，幅度較為理想。

甲類諧振放大電路由BG2和外圍元件組成，它負責將振蕩器送來的正弦波信號電壓放大到一定幅度，以滿足后級需要。實驗過程中，在J3可以檢測到如圖5所示的波形。經(jīng)過甲類放大器，信號波形有了明顯的放大，由于選頻網(wǎng)絡的存在，信號波形比振蕩輸出級的信號更為穩(wěn)定。如果觀察到的信號的頻率不是很理想，可以通過調(diào)節(jié)L13以及B2的值，改變回路的諧振頻率，使電路諧振于6 MHz。

圖4 振蕩電路的測試波形 圖5甲類諧振放大電路的測試波形

倍頻電路由BG3和LC選頻電路組成。倍頻管工作在丙類狀態(tài)，負責將BG2送來的6 MHz信號頻率進行二倍頻處理。實驗過程中可以在J5觀察到如圖6(b)所示的二倍頻器的輸出波形。顯然，與其輸入波形圖6(a)相比，輸出信號的頻率為12 MHz，幅度有明顯的增大。由于經(jīng)過倍頻后，基波與二次諧波會疊加在一起，故得到的波形并不是標準的12 MHz的正弦波信號。所以，在下一級設計了選頻網(wǎng)絡。如果觀察到的信號的頻率不是很理想，可以通過調(diào)節(jié)C11以及B1的值，改變回路的諧振頻率，使電路諧振于12 MHz。

(a) 丙類倍頻器輸入波形 (b)丙類倍頻器輸出波形圖6 丙類倍頻器電路的測試結(jié)果

3.2 乙類高頻諧振放大器測試

乙類高頻諧振放大器作為激勵級由BG4和外圍元件組成。它工作在乙類狀態(tài)。它的主要作用是為末級功放管基極提供較強的高頻功率信號。實驗過程中可以在J7觀察到如圖7(b)所示的輸出波形。顯然，與圖7(a)的輸入波形相比，信號的幅值有明顯的增大?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)電位器RW1改變注入的輸入信號以控制推動丙類放大器的電壓。如果觀察到的信號的頻率不是很理想，可以通過調(diào)節(jié)C13以及B3的值，改變回路的諧振頻率，使電路諧振于12 MHz。

(a)輸入波形 (b)輸出波形圖7 乙類高頻諧振功率放大器電路的測試結(jié)果

3.3 丙類高頻諧振功率放大器測試

諧振功率放大器主要由BG5和輸出濾波電路及負載組成。BG5工作在丙類狀態(tài)，它的主要作用是提高電路工作效率，輸出盡可能大的高頻功率信號。

選頻輸出與輸出阻抗網(wǎng)絡級由L5、L6、C14和負載電阻組成[6]。它主要完成從信號中選出所需的頻率，經(jīng)過阻抗匹配后送往負載電阻或發(fā)射天線[7]。以100 歐姆負載為例，可以在功率管輸出端J8檢測到如圖8所示的波形。此時，信號波形頻率穩(wěn)定，振蕩幅度很大。同時，可以在J9端檢測到輸出到負載上的波形，如圖9所示。

圖8丙類高頻功率管輸出端的測試波形 圖9 輸出負載上的測試波形

3.4 負載特性測試與分析

當負載回路諧振時， 改變負載電阻的大小，可以得到負載特性[8,9]。保持功率管的基極輸入信號為2 V /12 MHz，改變諧振功放的負載電阻，用示波器觀察負載兩端的輸出電壓，記錄在表1中。根據(jù)表1繪制負載電阻-輸出電壓/輸出功率曲線，如圖10所示。

表1 丙類高頻諧振功率放大器負載特性測試表

圖10 負載電阻-輸出電壓/輸出功率曲線

分析圖10可知，隨著負載電阻R的增加，放大器由欠壓狀態(tài)經(jīng)過臨界狀態(tài)最后進入過壓狀態(tài)，相應的集電極電流脈沖變?yōu)榘枷莸拿}沖波。在欠壓區(qū)，R由小增大，輸出電壓和輸出功率隨R近似線性增大；在臨界區(qū)達到最大；在過壓區(qū)，隨著R增大，輸出電壓有小幅度減小，同時輸出功率也減小。測試的負載特性與文獻[1]的理論分析完全一致。

4 結(jié)語

本文介紹的諧振功率放大器實驗方案涵蓋“高頻電子線路”教學的全部內(nèi)容，覆蓋的知識面廣，它不僅滿足了高頻電子線路對功放實驗的要求，還拓展了學生動手能力的發(fā)揮空間，值得推廣。本實驗應用于我?！案哳l電子線路”的課程實驗取得了非常好的效果。同時，獲得在東南大學舉辦的第二屆電工電子基礎課程實驗教學案例二等獎。

[1] 張肅文.高頻電子線路 第五版[M].北京:高等教育出版社，2009.

[2] 董尚斌,代永紅,金偉正等.電子線路II[M].北京:清華大學出版社，2013.

[3] 謝沅清,通信電子線路[M].北京:科學出版社，2006.

[4] 董建杰，陳可中，肖桂平等.高頻功率放大器最佳導通角的理論定義與控制[J].北京：現(xiàn)代電子技術(shù).2007.01:170-172.

[5] 金偉正.高頻電子線路實驗指導書[M].武漢大學電子信息學院,2013.

[6] 吳艷玲.高頻諧振功率放大器設計[J].上海：電子制作，2013,11:11.

[7] C.H.Li,X.H.Gao.Design and Implementation of Narrow-Band High Frequency Resonantor[C]//International Conference on Computer Information Systems and Industrial Applications. Atlantis Press,2015,18:244-246.

[8] Wai-Kai Chen.Theory and Design of Broadband Matching Networks[J].Franklin Institute,1989,Issue 5:737-747.

[9] 張鳳山，栗田禾.高頻丙類功放實驗常見問題及對應方法[J].北京：實驗室科學，2013,4,47-49.

The Teaching of the Resonance Power Amplifier Experiment

JIN Wei-zheng, TAO Qin, YANG Guang-yi

(SchoolofElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

A new type of high frequency resonance power amplifier experiment scheme, which involves all of the high frequency resonance amplifier design including the oscillator, classA,B resonance amplifier, class C frequency multiplier, and class C resonance power amplifier circuit, is introduced in this paper. The experiment teaching shows that these circuits can work well, though which can help students deeply understanding and grasping whole contents of the high frequency resonance power amplifier, and make a firm foundation for the future.

resonance power amplifier, high frequency, frequency multiplier, interstage matching

2016-02-29;

2016-04-26

武漢大學設備處開放實驗項目，(項目號WHU-2016-KFSY-3)

金偉正(1966-)，男，副教授，博士，主要從事無線電通信、數(shù)字信號處理教學和科研工作，E-mail: jwz@eis.whu.edu.cn

TM 933.1

A

1008-0686(2017)01-0109-04