對調(diào)頻發(fā)射機功放輸出回路阻抗匹配問題的探討

范會雨

【摘要】對調(diào)頻發(fā)射機而言，輸出的阻抗越低，則說明電路可輸出的電流值越大，其負載能力越強，頻率特性越良好，由此可見，對發(fā)射機輸出阻抗匹配相關(guān)問題進行研究很有必要。在具體研究過程中，文章首先對調(diào)頻發(fā)射機的原理進行說明，分析了發(fā)射機推動板、輸出電路系統(tǒng)運行原理，其次研究了微帶線特性，最后對阻抗匹配進行了計算，明確具體計算要點。希望文中所分析內(nèi)容可為行業(yè)有關(guān)人員提供理論參考，促使有關(guān)阻抗匹配的研究朝向深入化方向發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】阻抗匹配;功放輸出回路;調(diào)頻發(fā)射機

中圖分類號：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.20.002

隨著新型電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機逐漸取代模擬調(diào)配發(fā)射機，在現(xiàn)代化通信領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。其主要應(yīng)用優(yōu)勢是無需中轉(zhuǎn)站支持，提高了移動通信效率。一般情況下，發(fā)射機分為三個部分，分別是高頻、低頻與電源，為確保各部分性能達到最佳，相關(guān)人員需要對調(diào)頻發(fā)射機功放輸出回路阻抗匹配問題進行研究，并結(jié)合發(fā)射機的原理，選擇科學(xué)的設(shè)計思路，充分考慮阻抗匹配合理性問題，確保設(shè)計方案完成后，可最大程度滿足調(diào)頻發(fā)射機升級完善要求。

1. 調(diào)頻發(fā)射機原理

1.1 運行原理

調(diào)頻發(fā)射機強調(diào)利用無線方式，對廣播電臺所制作音樂、語音類節(jié)目進行發(fā)射及傳播。其運行原理如下：第一步，對高頻載波、音頻信號進行調(diào)制，使其成為相應(yīng)調(diào)頻波，保證高頻載波實際頻率可隨著音頻信號的調(diào)整而變化。第二步，在放大高頻信號的基礎(chǔ)上，對其做激勵和功放處理，待阻抗匹配操作結(jié)束，向天線輸出相應(yīng)信號，由天線負責(zé)對信號進行發(fā)送。現(xiàn)階段，獲得高頻信號的方法有兩個，分別是PLL以及頻率合成。

根據(jù)使用場合對發(fā)射機類別進行劃分，可得到專業(yè)發(fā)射機、業(yè)余發(fā)射機兩類。廣播電臺和其他要求音質(zhì)的場合所采用發(fā)射機均為專業(yè)發(fā)射機，一般場合只需對非專業(yè)發(fā)射機加以應(yīng)用即可。如果將廣播方式作為分類依據(jù)，應(yīng)將其劃分成單聲道、立體聲兩類。若以電路原理為依據(jù)，可將現(xiàn)有調(diào)頻發(fā)射機分為模擬發(fā)射機、數(shù)字發(fā)射機，其中，模擬發(fā)射機的作用主要是對模擬信號進行接收，對信號進行限幅、放大，對立體聲進行編碼等工作均為模擬開展，強調(diào)依托PLL和VCO對載頻信號進行生成，在此基礎(chǔ)上，利用模擬所得復(fù)合信號完成調(diào)制變?nèi)荻O管的相關(guān)工作?；谀M發(fā)生及所研發(fā)數(shù)字發(fā)射機，現(xiàn)已逐漸取代了模擬發(fā)射機的地位，對二者進行區(qū)分的依據(jù)主要是判斷發(fā)射機是否對DDS與DSP相結(jié)合的技術(shù)進行了應(yīng)用。數(shù)字發(fā)射機強調(diào)對音頻至射頻的各個環(huán)節(jié)做數(shù)字化處理，基于DSP對音頻信號進行接收及處理，另外，立體聲編碼和信號模擬環(huán)節(jié)所依托主體，同樣為DSP，基于DSP完成DDS的控制工作，使調(diào)制過程表現(xiàn)出更為理想的數(shù)字化水平。一般來說，在對離散調(diào)頻波進行D/A轉(zhuǎn)換之后，通?？色@得常規(guī)調(diào)頻波，此時，再利用放大器對調(diào)頻波功率進行放大即可。

1.2 電路介紹

本文所討論放大電路的放大管內(nèi)阻是0.2Ω，該放大管所輸出電阻可達50Ω。電路正常運行頻率往往在103MHz～107MHz間，電路輸出原理可用圖1進行表示：

在圖1中，輸出電路的運行頻率f的取值是105，單位是MHz。電路工作波長可達2.86m左右，介電常數(shù)的取值約為3.9。對介質(zhì)波長進行計算的公式為：

利用L1對λ/4微帶線進行表示，該微帶線的長度在36cm左右。綜合考慮各參數(shù)可知，上述輸出電路可被歸為B類電路。

2. 微帶線特性分析

微帶線是指以介質(zhì)基片為載體，通過支設(shè)單一導(dǎo)體帶的方式所形成微波傳輸線，現(xiàn)階段，微帶線主要被用來對微波集成電路對應(yīng)傳輸線進行制作。相較于傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在可靠、成本低廉、體積較小以及可對頻帶寬加以使用方面，當(dāng)然，微帶線的不足也十分明顯，例如，功率容量較小，日常運行的損耗量偏大。上世紀(jì)60年代，隨著微波半導(dǎo)體、低損耗材料的持續(xù)發(fā)展，微波集成電路被應(yīng)用在諸多領(lǐng)域，這也為微帶線的推廣提供了支持，隨著數(shù)十年的完善，微帶線類型變得更加多元，大部分微帶線的制造工藝均為薄膜工藝，以微波損耗偏低且介電常數(shù)理想的材料為介質(zhì)基片首選材料，配合穩(wěn)定可靠且導(dǎo)電性能佳的導(dǎo)體，打造可使自身優(yōu)勢得到充分發(fā)揮的微帶線。

圖1的A點C18代表交流信號存在短路情況，結(jié)合阻抗圓圖相關(guān)理論可知，D點λ/4供電微帶線對應(yīng)阻抗是無窮大，這表明λ/4供電微帶線給高頻信號所產(chǎn)生影響可以忽略不計。通過測量可知，電路板真實厚度是1.8mm，而微帶線的凈寬度為2mm，帶管子引腳的寬度為8mm。

微帶線寬和電路板厚的比值≥1，由此可見，對微帶線實際阻抗進行計算的公式應(yīng)為：

在上述公式中，h代表電路板厚，取值是1.8，W代表帶管子引腳的微帶線寬，取值是8。對特性阻Zc抗進行計算的結(jié)構(gòu)是30Ω，對介電常數(shù)εe進行計算的結(jié)果是3.33。如果將微帶線寬設(shè)為凈寬，將取值改為2mm，則特性阻抗的取值是70Ω，介電常數(shù)的取值為2.87。結(jié)合計算結(jié)果可知，對微帶線的高頻電路而言，不同的微帶線寬，通常對應(yīng)不同的特性阻抗和介電常數(shù)，除特殊情況外，寬度越窄的微帶線擁有越大的特性阻抗，其介電常數(shù)往往較小。

3. 阻抗匹配計算要點

對阻抗匹配加以應(yīng)用的主體為傳輸線，其作用主要是確保高頻微波信號均可被快速且準(zhǔn)確的傳遞到對應(yīng)負載點，通過切斷信號向來源點反射所依托途徑的方式，使能源效益得到顯著提升。無論是信號源內(nèi)容、傳輸線實際特性阻抗的相位以及大小一致，還是特性阻抗以及負載阻抗的相位、大小一致，均表明傳輸線所處狀態(tài)為阻抗匹配。要想實現(xiàn)阻抗匹配，通常要在負載與對應(yīng)源之間新增無源網(wǎng)絡(luò)，無源網(wǎng)絡(luò)的作用，主要是保證負載、對應(yīng)源阻抗處于共軛匹配狀態(tài)。對調(diào)頻發(fā)射機而言，實現(xiàn)阻抗匹配的目的可被歸納如下：首先是保證源、器件還有負載間所存在傳輸功率為最大功率。其次是通過LNA前級匹配的方式，使接收機所表現(xiàn)出靈敏度最大程度接近預(yù)期。再次是對放大器進行優(yōu)化，使其輸出功率以及增益達到理想水平。最后是對饋線所損耗功率加以控制。

在工作狀態(tài)下，f的取值為105，單位是MHz。研究人員計劃先用容抗值替代電容值，各參數(shù)取值如下：XC2=-j3.8Ω;Xc3=-j14.7Ω;Xc4=-j46Ω;Xc5=-j14Ω;XC6=-J152Ω。另外，負載Z0的取值為50Ω。

若并聯(lián)XC6和Z0，對Z輸出a進行計算所得結(jié)果為45.12-j14.8。串聯(lián)XC5和Z輸出a，計算所得結(jié)果為45.12Ω-j28.8Ω，利用Z輸出b進行表示。并聯(lián)XC4和Z輸出b，將計算所得結(jié)果設(shè)為Z輸出c，則可得出Z輸出c的取值為13Ω-j26.36Ω?；谧杩箞A圖相關(guān)理論，科學(xué)規(guī)劃L4右側(cè)阻抗可得：

將L4長度設(shè)為0.07m，則L4線段規(guī)劃結(jié)果為：

在阻抗圓圖對點a位置進行確定，沿順時針方向推進可得點b，點a及點b所在位置如圖2所示。

點b所對應(yīng)規(guī)劃阻抗的取值是0.17-j0.05，對規(guī)劃阻抗進行反規(guī)劃處理，L4左側(cè)阻抗取值變?yōu)?2Ω-j3.5Ω。對C3和Z輸出c進行串聯(lián)，利用Z輸出c對計算結(jié)果進行表示，其取值為5.46Ω-j6.42Ω。隨后，研究人員結(jié)合阻抗圓圖對L3左側(cè)電抗進行計算，結(jié)果為5.6Ω+j7Ω，用Z輸出d進行表示。在綜合考慮上文所提及各取值可知，L1左側(cè)電抗的取值應(yīng)為1.4Ω+j5Ω。由此可見，輸入端處于阻抗匹配的狀態(tài)，則傳輸線功率最大，如果輸出端滿足阻抗匹配要求，表明對應(yīng)傳輸線僅有流向終端的電流波以及電壓波存在，同時，其所攜帶能量將被負載盡數(shù)吸收。

4. 研究結(jié)論分析

通過計算可知，場效應(yīng)管內(nèi)阻的最大值為0.2Ω，隨后，研究人員利用電路分析法得出“阻抗值和內(nèi)阻值不等”的結(jié)論。但要注意一點，二者取值不等并不代表二者不匹配，這是因為該輸出電路為B類電路，其特點是阻抗取值為無窮，因此，可匹配該電路輸出阻抗的取值范圍應(yīng)當(dāng)是≥1.5+j5Ω。

5. 結(jié)論

綜上，文章對數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機功放輸出回路總的阻抗匹配問題進行研究，明確了調(diào)頻發(fā)射機的工作原理和微帶線特性，并對阻抗匹配進行了有效計算。通過分析和計算，為相關(guān)人員完成阻抗匹配提供理論參考。本次研究不僅對阻抗值、內(nèi)阻值進行了合理匹配，還對具體的輸出電路和輸出回路進行了分析，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計良好的阻抗匹配方案。

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