短波射頻功率放大器末級設計原理分析探討

次仁白姆

【摘要】廣播電視在播出中，其發(fā)射機的信號大小是非常重要的 ，它是保證電視播出正常的前提和基礎。下文簡要闡述了一種短波射頻功率放大器末級設計方案，采用本工作設計的功率放大器末級電路可以高保真、高效率的對前級送來的信號進行放大，然后通過后面的諧波濾波和天饋系統(tǒng)發(fā)送出去，以達到通信信號增加的目的。

【關鍵詞】短波射頻功率放大器;末級;濾波器

1. 短波射頻功率放大器末級設計分析

射頻功率放大器的設計原理是通過相應的有源器件，通過技術結合，達到信號發(fā)射增強的效果。在設計工作中要注意器件的模塊建設、阻抗匹配的結合和放大器的穩(wěn)定性和實用性。功率放大器設計質(zhì)量的評價是在穩(wěn)定的工作條件下，以最小的放大器串聯(lián)，實現(xiàn)最大的功率增益。為了信號放大的穩(wěn)定性，其需要計算有源器件不穩(wěn)定工作的潛在區(qū)域。同時，要避免頻率發(fā)生寄生振蕩，考慮不同頻率范圍的穩(wěn)定電路技術。

2. 電路設計

2.1 末級推挽放大電路在發(fā)射系統(tǒng)中的作用

對于整個短波通信，功率放大器直接關系到信號是否能發(fā)射出去，功放的末級放大直接決定需要發(fā)射的功率大小，發(fā)射功率的大小決定通信距離。那么末級放大電路的作用如下圖1：

上圖是整個發(fā)射機的流程圖，功放末級放大處于整個系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)。激勵器對我們要發(fā)射的信號進行一系列處理，包括信號的產(chǎn)生、調(diào)制、小信號的選頻放大等，此信號的功率大約是100mW。然后送給功放的前置放大，前置放大后的功率大約是10W。然后送給末級放大達到250W 的發(fā)射功率。功率放大后交給濾波器進行濾波，最后送到天饋系統(tǒng)發(fā)射出去進行通信。

2.2 放大電路的電路設計

此電路采用乙類推挽放大電路，利用兩只功放管以乙類工作方式各自導通正負半周期，并在負載上完成一個周期波形，其理想效率可以達到78.5%。其電路圖2如下：

圖2的設計是采用變壓器乙類推挽放大電路，其中最核心的元件Q1、Q2，這兩個是完全相同的晶體管，這兩個晶體管是由摩托羅拉生產(chǎn)的MRF448型號的晶體管。放大倍數(shù)一般在20-40dB。其Q1、Q2是功率放大管，它們構成相應的對管。同一個信號周期內(nèi)時，輪流導電，其可以在工作互相結合。T1是輸入變壓器，其主要是為輸入信號進行倒相，讓其產(chǎn)生兩個相同大小、極性相反的信號電壓，激勵Q1與Q2工作。T2是輸出傳輸變壓器，其主要是將V1、V2輸出信號合成完整的正弦波。T3為平衡轉為不平衡輸出。

Q3、Q4組成一對開關管，其中Q3是三極管BD679，Q4是三級管BD437，這兩個三極管受前面激勵器控制，當激勵器發(fā)射時三極管工作。由上圖可知當激勵器發(fā)射時輸出一個15V的控制信號。當15V到達上圖時通過電阻R309降壓后到達Q3的基極，此時Q3導通。此時24V引腳的24V到達Q4的基極，然后通過電阻R306下地，24V通過R305、R306、R307組成的偏置網(wǎng)絡衰減后送到Q1、Q2的基極。

Q1、Q2的工作電壓為直流45V，分別加到兩個放大管的集電極。

R2、R3、R4、R5、C14、C15分別組成反饋電路。

D1、D2、D3、D4組成檢測電路，分別檢測出放大信號的電壓值，當放大電壓值超過設置最大電壓值時，二極管導通輸出一個報警信號，然后切斷前面的15V電壓，使整個放大電路不工作，從而達到一個保護作用。

依靠不同的設計路徑，放大器有不同的偏置條件。其工作狀態(tài)對應于電路中有源器件的不同偏置狀態(tài)。

我們假設晶體管沒有進入飽和區(qū)，而且在線性工作區(qū)內(nèi)輸出電流和輸入電壓成比例。對于場效應晶體管，電壓V*對應于閾值電壓;對于雙極結晶體管，電壓V*對應于基極-發(fā)射機內(nèi)建電壓。

根據(jù)所謂的傳導角來劃分不同的工作條件，傳導角對應的電流在一個信號周期內(nèi)流過負載的時間。一般甲類工作條件下，集電極電流存在于整個信號周期，即傳導角全范圍。如果晶體管在線性區(qū)域的傳輸特性近似于線性函數(shù)，則所傳輸?shù)男盘柺菦]有任何失真和放大的輸入信號。但在實際應用中，總會產(chǎn)生一定程度的非線性效應，導致放大器的輸入信號失真。

乙類工作條件下，這時有一半的信號周期具有集電極電流，其對應于周圍一半的的傳導角。在信號周期的下半個周期中，晶體管在沒有集電極電流流過的情況下進入截止狀態(tài)。甲乙類的工作狀態(tài)結合了甲、乙類工作特性，傳導角在180～360度，這種放大器通常用于射頻信號的高功率放大。

而丙類的放大器只在信號的半周期內(nèi)傳輸電流，所以輸出信號失真會很大。

2.3 偏置網(wǎng)絡

現(xiàn)階段有兩種類型的偏置網(wǎng)絡，分別為有源偏置網(wǎng)絡和無源偏置網(wǎng)絡。無源偏置網(wǎng)絡是一種簡要的偏置網(wǎng)絡。它一般是電阻網(wǎng)絡構成，是為晶體管提供合適的電壓及電流。但因?qū)w管比較敏感，其穩(wěn)定性比較不理想，所以一般情況下，我們通常采用有源偏置網(wǎng)絡。

下圖3是整個放大電路Q1、Q2放大管的偏置網(wǎng)絡 。其中我們采用一個低頻晶體管Q3、Q4共基極為放大電路提供必要的基極電流。電阻R6與Q3的發(fā)射極相連改善了靜態(tài)工作點的穩(wěn)定度。如果晶體管Q1和Q2具有相同的溫度特性，那么這種偏置網(wǎng)絡還將具有良好的溫度穩(wěn)定性。

上圖3中當15V的PTT信號加到Q4的基極時，Q4開關管打開，打開后的電壓加到Q3的基極，使Q3開關管打開，然后通過由R6、R7、R13、C17、C20組成的衰減網(wǎng)絡為Q1、Q2提供基極電流。通過調(diào)整R6的大小就可以調(diào)整放大電路的靜態(tài)電流，使電路處于線性放大狀態(tài)。

3. 結論

綜上所述，對短波射頻放大器電路的設計進行了分析，闡述了電路的阻抗匹配問題，阻抗匹配在射頻放大電路中占據(jù)又非常關鍵的地位，最后對電路的設計方案探討，還有沒考慮周全的地方，以待以后改進。

參考文獻：

[1]羅旭權，2-30MHz功率放大器的設計[J]，通信與廣播電視，2009，（03）.

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[3]康華光，電子技術基礎，高等教育出版社.