感應(yīng)裝定系統(tǒng)中功率放大電路的設(shè)計(jì)與仿真

楊 敏，王 利，馬振興，王 珊，王國(guó)帥

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引言

引信控制系統(tǒng)決定著彈丸的起爆時(shí)間，是武器系統(tǒng)不可或缺的裝置[1]。由于射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)具有無(wú)源、非接觸、能量和數(shù)據(jù)一體化傳輸?shù)奶攸c(diǎn)[2]，RFID技術(shù)逐漸被應(yīng)用于感應(yīng)裝定系統(tǒng)中[3]。本文將RFID中的功率放大電路應(yīng)用于感應(yīng)裝定系統(tǒng)中，解決了目前感應(yīng)裝定系統(tǒng)無(wú)法在大口徑火炮的彈丸中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)膯?wèn)題。

1 裝定器基本電路的設(shè)計(jì)

裝定器基本電路如圖1所示。上位機(jī)將火控系統(tǒng)發(fā)來(lái)的裝定信息發(fā)送至裝定器，單片機(jī)控制模塊通過(guò)程序來(lái)識(shí)別該信息，并將其編碼成數(shù)字基帶信號(hào)。裝定器中的調(diào)制電路將其調(diào)制，輸出適合無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)男盘?hào)。由于該調(diào)制信號(hào)的幅值太小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)傳輸，所以本文設(shè)計(jì)了一種功率放大電路。該功放電路將信號(hào)放大并加載到發(fā)射線(xiàn)圈上，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的無(wú)線(xiàn)能量傳輸。本文將RFID中功率放大電路應(yīng)用于感應(yīng)裝定系統(tǒng)，并對(duì)功放電路進(jìn)行仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1 裝定器基本電路Fig.1 Basic circuit of the loader setter

通過(guò)分析大口徑彈丸的裝定情況，根據(jù)最小感應(yīng)距離為6 cm的要求，選擇近耦合系統(tǒng)較為合適。因?yàn)楦袘?yīng)裝定系統(tǒng)在復(fù)雜的金屬環(huán)境下工作，要求工作頻率為800 kHz～2 MHz[4]，所以本文選擇的工作頻率為1 MHz。

經(jīng)過(guò)調(diào)制電路調(diào)制的信號(hào)直接加載到發(fā)射線(xiàn)圈上時(shí)，由于其電流較小，會(huì)影響接收線(xiàn)圈感應(yīng)到的接收功率。因此，調(diào)制電路輸出的信號(hào)要經(jīng)過(guò)功放電路進(jìn)行放大。功率放大電路原理圖如圖2所示。

圖2 功率放大電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of power amplifier circuit

功率放大器按照晶體管的導(dǎo)通角大小，可以分為A類(lèi)(導(dǎo)通角為2π)、B類(lèi)(導(dǎo)通角為π)、C類(lèi)(導(dǎo)通角為0～π)三種類(lèi)型。由于A、B、C類(lèi)功率放大器的效率較低，已逐漸被淘汰。D類(lèi)功率放大器具有高效率、低失真的優(yōu)勢(shì)[5-6]。D類(lèi)功率放大器的工作原理是用兩只放大性能相同、導(dǎo)電極性相反的三極管接成推挽形式[7]，兩管輪流導(dǎo)通，一個(gè)三極管在信號(hào)的正半周期工作，另一個(gè)在負(fù)半周期工作，從而避免了功率放大電路中的非線(xiàn)性失真，在負(fù)載上得到的信號(hào)波形完整且穩(wěn)定。兩個(gè)晶體管狀態(tài)互補(bǔ)、輪流導(dǎo)通。其中一個(gè)晶體管導(dǎo)通，即“開(kāi)”狀態(tài)時(shí)，Ic很大，但Vc很??；“關(guān)”狀態(tài)時(shí)則相反，兩者的乘積Pc都很小，所以其效率較高，可以達(dá)到80%以上[8]?；谝陨戏治?，本文選擇D類(lèi)功率放大器。

調(diào)制電路輸出的信號(hào)進(jìn)入功率放大電路，經(jīng)極性電容C4、C5濾波后,再經(jīng)由二極管與電阻的并聯(lián)回路進(jìn)入三極管的基極。當(dāng)調(diào)制信號(hào)輸入為1，U2管基極電壓接近電源電壓，U2管截止，U1管導(dǎo)通；反之，U2導(dǎo)通，U1截止。兩基極之間并聯(lián)的電容C6電容值用來(lái)提高三極管開(kāi)關(guān)速度,C6越大，兩三極管之間的轉(zhuǎn)換速度越慢。共集電極輸出的信號(hào)經(jīng)C3隔直后，加載到發(fā)射線(xiàn)圈上。故確保發(fā)射線(xiàn)圈L1和C1的諧振為1 MHz是提高輸出功率的關(guān)鍵。一旦放大器輸出回路失諧，會(huì)對(duì)放大電路產(chǎn)生不良影響甚至燒壞晶體管[9]。負(fù)載R5可以認(rèn)為是電感線(xiàn)圈損耗電阻。

R5的電流基波幅值為：

(1)

負(fù)載上的輸出功率為：

(2)

直流電源的輸入功率為：

(3)

功率放大器的效率為：

(4)

由式(2)可以看出，若忽略晶體管飽和壓降VCES的影響，Po和VCC的平方成正比。所以，只要提高電源電壓，即可增大負(fù)載上的輸出功率，使電感線(xiàn)圈L1的損耗電阻R5較小[10]。從式(4)中可以看出，提高電源電壓也有利于提高效率,所以應(yīng)選擇合適的電源電壓，保證功率放大電路有較高的輸出功率和效率。本文選用的功放管型號(hào)為8550與8050。通過(guò)查詢(xún)數(shù)據(jù)手冊(cè)，所選用電源電壓應(yīng)滿(mǎn)足9 V≤VCC≤25 V。這是因?yàn)殡妷哼^(guò)高容易燒壞三極管、過(guò)低則沒(méi)有達(dá)到晶體管的工作電壓。

2 Multisim仿真及結(jié)果分析

根據(jù)以上理論分析，用Multisim 10.0進(jìn)行仿真調(diào)試。本電路中：f=1 MHz,C1、L1處于諧振狀態(tài)，四個(gè)二極管用于穩(wěn)定功放管基級(jí)，選用普通二極管1N4149即可。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換電容C6選用1 μF，濾波電容C4=C5=10 μF。當(dāng)電源電壓VCC=15 V時(shí),通過(guò)調(diào)試發(fā)射極限流電阻R1、R2的阻值來(lái)調(diào)試電路，使電路達(dá)到最佳放大狀態(tài)。通過(guò)仿真調(diào)試，發(fā)現(xiàn)R1、R2較小時(shí)，放大效果更加明顯。但考慮到R1、R2為發(fā)射極限流電阻，其阻值不能過(guò)小，否則起不到作用，所以選擇R1=R2=10 Ω。

仿真結(jié)果為：當(dāng)輸入信號(hào)為2 V時(shí)，輸出信號(hào)可高達(dá)20 V，放大效果明顯且放大信號(hào)完整穩(wěn)定，無(wú)失真。由于本文中的載波頻率為1 MHz,此功率放大電路也可以用于載波頻率為1 MHz的RFID發(fā)射電路。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

按照仿真所得的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)平臺(tái)搭建。

功放電路的輸入波形，其電壓幅值為1.68 V。當(dāng)電源電壓為15 V時(shí)，經(jīng)過(guò)功率放大后，加載到發(fā)射線(xiàn)圈上的信號(hào)幅值為36.8 V，且信號(hào)完整穩(wěn)定，沒(méi)有失真。通過(guò)試驗(yàn)調(diào)試，得出如下結(jié)論。①功放管的選擇至關(guān)重要，要選擇互補(bǔ)特性好、散熱能力強(qiáng)的功放三極管，以提高功放性能。②適當(dāng)增大電源電壓可以提高發(fā)射功率，當(dāng)VCC=12 V時(shí)，輸出電壓幅值為30.0 V；當(dāng)VCC=15 V時(shí)，輸出電壓幅值為36.8 V；當(dāng)VCC=17 V時(shí)，輸出電壓幅值為39.8 V。所以在試驗(yàn)時(shí)，可以適當(dāng)提高電源電壓，但電源電壓不能超過(guò)三極管的Vceo,以免燒壞三極管。

由以上分析可知，該功放電路放大效果較好。為了進(jìn)一步研究其功率放大效果，利用簡(jiǎn)單的引信接收模塊電路，通過(guò)接收器中感應(yīng)到的距離來(lái)驗(yàn)證功放效果，且通過(guò)簡(jiǎn)單的解碼電路來(lái)測(cè)試在該距離下是否可以得到完整的原始信息。

調(diào)試結(jié)果如下。

①當(dāng)電源電壓為15 V時(shí)，在不同感應(yīng)距離下，接收線(xiàn)圈感應(yīng)到的電壓信號(hào)是不同的。在感應(yīng)距離分別為6 cm、 8 cm、10 cm、12 cm時(shí)，接收電壓幅值分別為3.36 V、 3.02 V、2.56 V、1.84 V，且均可解調(diào)出基帶信號(hào)。這些基帶信號(hào)由單片機(jī)解碼后，可以得到完整的原始信息。②在調(diào)試中還發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)距離受功率放大電路中電源電壓的影響，接收線(xiàn)圈電壓幅值隨電源電壓的降低而緩慢下降。比如在相同的測(cè)試條件下，以單片機(jī)可以還原出完整的信號(hào)為前提，當(dāng)電源電壓為18 V時(shí)，感應(yīng)距離最遠(yuǎn)可達(dá)14 cm；當(dāng)電源電壓降到15 V時(shí)，感應(yīng)距離為13 cm。以上調(diào)試結(jié)果表明，該裝定器中的功率放大電路并不是獨(dú)立工作的，它可以為引信接收器提供足夠的功率與能量，保證信號(hào)和能量的傳輸。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)大口徑火炮中感應(yīng)裝定系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯?wèn)題，本文設(shè)計(jì)了裝定器中的功率放大電路。通過(guò)仿真及試驗(yàn)電路調(diào)試，得到以下結(jié)論：①該功率放大電路具有較高的穩(wěn)定性，能夠長(zhǎng)時(shí)間輸出穩(wěn)定的波形，且波形不失真；②感應(yīng)距離隨著功率放大電路中電源電壓的增大而增大，當(dāng)電源電壓為15 V時(shí)，最遠(yuǎn)感應(yīng)裝定距離可達(dá)到12 cm,完全滿(mǎn)足火炮裝定的最小距離要求；③本文所設(shè)計(jì)的功率放大電路可以為引信接收器提供足夠的功率與能量，保證信號(hào)和能量的傳輸。

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