高频功率放大器课程设计.docx

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高频功率放大器课程设计

目录

1.概述及基本原理1

2.方案及各部分设计原理分析2

2.1整体介绍2

2.2原理分析2

2.3具体分析3

3.参数的计算和选择4

3.1功率放大器输出功率的计算分析4

3.2谐振回路的计算分析5

3.3放大管栅极和板极的电流电压关系6

3.4高频功率放大器的能量关系8

3.5发射管的工作状态9

4.仿真结果及分析总结10

5.心得体会13

6.参考文献14

1.概述及基本原理

高频功率放大器是对载波信号或高频信号进行功率放大的电路。

利用选频网络作为负载回路的功率放大器成为谐振功率放大器。

随着现代通信技术的日益发展高频放大应用的领域也越来越广。

在某些场合高频放大技术的高低成为制约本领域技术发展的关键所在。

比如射频手机和高频信号收发机等，都需要用到高频功率放大器，并且作为一项非常重要的技术攻关项目。

特别是移动电话机中高频功率放大器品质的高低直接影响其产品的技术指标。

所以本次课程设计我选择高频功谐振率放大器。

如图1-1所示为高频功放基本原理图，图中，高频扼流圈提供直流通路，C1为隔直流电容，谐振回路分别为输入和输出滤波匹配网络。

其中天线等效阻抗，作为输出负载。

与非谐振功放比较，它们都要求安全高效地输出足够大的不失真功率，但有一些区别。

图1-1高频功放基本原理图

谐振式高频功率放大器的特点是：

①为了提高效率，放大器常工作于丙类状态，晶体管发射结为反向偏置，由Eb（VBB）来保证，流过晶体管的电流为余弦脉冲波形；②负载为谐振回路，除了确保从电流脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还能实现放大器的阻抗匹配。

2.方案及各部分设计原理分析

2.1整体介绍

基本部分组成，即电子管、谐振回路和电源。

电子管在放大器中起着把直流能量转换为交流能量的作用；谐振回路是电子管的负载；电源供给电子管各电极电压，它们共同保证电子管的正常工作。

  放大器有两个主要电路：

板极电路和栅极电路。

板极电路包括并联振荡回路和直流板极电压Ea的馈电电路。

振荡回路由电感L1、电容C1和电阻r组成。

电路中C1'为高频旁路电容，L1'为高频阻流圈。

在栅极电路中加入直流偏压Eg，一般Ea为负值。

电路中C2'和L2'分别是栅极回路的高频旁路电容和高频阻流圈。

2.2原理分析

 知道前级送来的高频激励电压为ug=Ugcosωt它加在栅极与阴极之间。

其中，ug是激励电压的瞬时值，Ug是激励电压的振幅值，ω＝2πf是激励电压的角频率，f是激励电压的频率。

    当电路接好并将各电极电压加上时，则在板极电路中就会出现受到栅极电压控制的板流脉冲，脉冲波形如图3-1所示。

ia是周期性函数，由数学知识可知，它可用傅氏级数来表示，即 

ia=Ia0+Ia1cosωt+Ia2cos2ωt+…+Iancosnωt        （2.1）

可见，板极电流等于直流分量Ia0、一次谐波（基波）、二次谐波和其他高次谐波之和

图3-1脉冲波形

板极并联谐振回路要调谐到激励信号电压的频率，并且在实际情况下，振荡回路的Q值远大于1（考虑到下级负载引入的电阻），即回路的谐振性很强。

这样，谐振回路对基波的阻抗很大，而且是纯电阻性的，这就是我们熟知的谐振阻抗，一般用Roe来表示。

板极回路的直流电阻，可以看成是短路的。

同时，因为回路是调谐到基波，对于高次谐波回路失谐很大，所以回路对于高次谐波也近似于短路。

这样，板极电流通过回路时，在回路上所引起的只有基波电压。

输出电压不是脉冲形状，而是和输入激励电压一样的波形。

2.3具体分析

串联偏置是说电子器件，负载电路和直流电源三部分串联起来的。

在上面所提到的电路中LC是负载贿回路；L‘是高频厄流圈，它对直流是短路的，但对高频则呈现很大的阻抗，可以认为是开路的，以阻止高频电流通过功用电源内阻产生高频能量损耗，特别是避免在个级之间由此而产生的寄生偶合；C’是高频旁路电容，他们对高频应呈现很小的阻抗，相当于短路。

加入这些附属元件L‘，C’等的目的就是为了使电路能满足上述组成电路的原则。

偏置电路中都存在着自给偏置效应，即当由小增大时，基极电流脉冲中的平均分量相应增大，它在偏置电阻上的压降增大，结果使基极偏置电压向负值方向增大。

由此表明在输入信号激励下，由于自给偏置效应，基极偏置电压将不等于静态偏置电压，且其值随着输入激励幅度增大而向负值方向增大。

滤波匹配网络的作用是阻抗匹配和选频滤波。

3.参数的计算和选择

3.1功率放大器输出功率的计算分析

令ua=Ia1Roecosωt=Uacosωt                         （2.2）

其中Ua＝Ia1Roe是回路电压的幅度。

由于ua的正方向与Ea相反，所以板极的瞬时电压为 

            ea=Ea-ua=Ea-Uacosωt                             （2.3）

    由LC谐振回路的基本知识可知，当板极回路谐振于激励信号频率时，板极回路对基波电流呈现一个纯电阻的谐振阻抗为  

 式中，

--回路特性阻抗；

--回路有载品质因数；

                   r'--回路有载总损耗电阻

    由于高次谐波不在回路上产生压降，所以回路两端的高频电压为

         Ua=Ia1Roe                                                       （2.5） 

其中Ia1为振幅值。

 在负载上产生的高频功率为

 由上分析可知，只要在放大器的栅极电路中输入激励电压，便可以在板极负载上获得高频输出功率。

同时也可以看出，板流ia虽是脉冲形状，但由这一电流在回路两端产生的电压降却是正弦形式。

其关键是放大器的板极接有一个LC并联谐振回路。

3.2谐振回路的计算分析

采用谐振回路作负载是高频放大器区别于低频放大器的特点，它有两个作用：

第一是阻抗变换的作用；第二是滤波作用。

以前边系统为例，设板极回路与负载回路之间的互感为M，再设负载回路已调至谐振，天线回路的串联电阻为RA，则在有载的情况下板极回路的等效阻抗应为

对于给定的RA，我们可以调整M、L、C三个量来满足下面两个条件：

（1）使等效的并联回路谐振于工作频率；

（2）使Roe之值等于电子管所要求的最佳数值。

这样就实现了阻抗匹配。

    回路的滤波作用，就是把我们所需要的放大后的基波信号选出来，把不需要的谐波抑制掉。

我们知道，工作于乙类或丙类的放大器，其板流为一脉冲，其中除含直流分量、基波分量外，还有谐波分量。

如果负载是个电阻，它决不能把其中的基波分量选出来。

但在LC的并联谐振回路中，由于线圈的电阻很小，可以认为对直流是短路的。

对基波来说，当谐振时，回路的等效阻抗是一个数值较大的纯电阻，其值为L/Cr。

对于n次谐波，回路严重失谐，故回路对n次谐波呈现的阻抗与基波相比可以忽略不计。

因此，尽管ia中含有很多的谐波分量，但在回路两端只产生很小的谐波电压，只有基波分量Ia1才能在回路两端产生足够大的电压降。

根据欧姆定律得 

式中ua=Uacosωt

    既然Ua是正弦电压，故通过LC回路的电流必然也是正弦电流。

由此得出结论：

由于并联LC回路的谐振特性起着滤波作用，尽管板流是脉冲形式的，但回路电流和回路两端的电压仍然是正弦形式的。

    这一现象也可以从能量的观点来解释，即回路是由LC组成的，而L和C都是贮能元件。

在板流流通的时间内，回路贮存能量，在板流截止的时间内，回路又放出能量，这样就维持了振荡回路中振荡电流的连续性。

3.3放大管栅极和板极的电流电压关系

在讨论能量关系之前，有必要了解放大管栅极和板极的电压、电流工作波形及其相位关系。

图2-8表示高频功率放大器在工作时的栅压、栅流和板压、板流等的变化曲线以及它们之间的相位关系。

在N1-2（a）中，Eg为电子管的截止偏压，Eg为工作偏压。

设电子管栅极上所加的高频电压为ug=Ugcosωt，则栅极的瞬时eg为   eg=Eg+Ugcosω

图4-1丙类放大器工作波形

为了获得得高的效率，放大器一般工作在丙类状态，则偏压|Eg|大于板流的截止偏压|Eg|。

当eg超过Eg时，即N1-2（a）中的t1～t4期间，电子管的板流流通，ia的波形是余弦脉冲的一部分。

其流通时间为2θ，称θ为板流流通角，如N1-2（b）所示。

当eg大于零时，即N1-2（a）中的t2～t3间，电子管出现栅流，其波形也近似于余弦脉冲波，其流通时间为2θg，称θg为栅流流通角，如N1-2（c）所示。

    因板流是个余弦脉冲，可用富氏级数将其分解，于是就得到ia中的直流分量Ia0和基波分量Ia1，分别如图（d）、（e）所示。

由于板极回路谐振于基波，所以Ia1在回路两端产生电压降ua的波形和变化规律与Ia1相同，如图（g）所示。

由图（f）可见，瞬时板压ea的最小值为eamin=Ea-Ua，而最大值为eamax=Ea+Ua。

eamin有时也称为剩余电压，意思是回路剩给板极的电压。

回路电压的峰值Ua对直流板压Ea之比，称为板压利用系数，以符号ξ表示，即

意思是直流馈电电压Ea中有百分之多少可以转变为高频输出电压。

我们还可以用下式来表示ξ，即

由N1-2（a）、（b）、（c）可见，板流通角θ取决于eg曲线与截止偏压Eg两个交点的位置，而栅流通角θg则取决于eg曲线与时间轴的两个交点的位置，显而易见θg＜θ。

    在大多数情况下板流脉冲可以近似地用一个余弦脉冲来表示，这是因为板流的动态特性曲线近似一条直线，如N1-2所示，所以eg作余弦变化时，板流脉冲也跟着作余弦变化。

但栅流动态特性曲线就不能当作一条直线，所以栅流脉冲的形状也不能当作余弦脉冲，而是近似于余弦平方脉冲或三角形脉冲，如N1-3所示。

图中虚线为理想化动态特性曲线和栅流脉冲，实线为实际动态特性曲线和栅流脉冲波形

图4-2栅流脉冲

从图4-2还可以看出在任何情况下eg与Ia1是同相变化的，而ua则作反相变化。

由此得出结论：

当eg=egmax时，ea=eamin；反之，当eg=egmin时，则ea=eamax，而eamax的极限值是2E。

3.4高频功率放大器的能量关系

 能量关系指的是功率放大器能量的来源和分配问题，它对放大器的安全工作、节约能源、输出大的功率都非常重要。

    在板极电路中主要有三部分能量：

直流电源供给的能量，电子管输送到振荡回路的能量和电子轰击板极在板极产生的热能。

显然后两种能量是由前一能量转换得来的。

根据能量守恒定律，三者应该平衡。

 谐振时回路呈现一纯电阻，流经它的基波电流振幅为Ia1，它在回路上引起的基波电压振幅为Ua，因此，回路从电子管得到的高频功率为

 供给电子管板极电路的唯-能源是直流电压Ea，所以直流输入功率为

                     P0=EaIa0                                          （2.13）                                                    

 直流输入功率P0中的大部分经电子管的转换变成输出功率P~，剩余部分则使电子管的板极发热变为板极损耗功率Pa，所以

                     Pa=P0+P~                                            （2.14） 

 于是我们就可以得到功率放大器的效率η为

 式中,

称为波形系数，它是板极流通角的函数。

 由上述公式可以看出，放大器实质上是把直流功率P0转化为高频功率P~的能量转换器，其转换效率为η。

显然，提高效率是我们所希望的。

为此我们应提高板压利用系数ξ和减小通角θ[为的是提高γ（θ）]，但过分减小θ，将导致Ia1减小，因而输出功率P~也会减小，所以θ有一最佳值。

    从电子管内部的物理过程来进行分析。

当电子从阴极向板极运动时，如果受到电场的加速，电子便从电场中吸收能量。

如果受到电场的减速，则电子把能量交给电场。

 电子在向板极的运动过程中，受到直流电场的加速（其大小决定于直流电压Ea），增加动能，也就是电子由直流电场取得能量，这部分能量是由直流电源供给的。

但是在板极上还叠加有高频电压ua它的相位正好与激励电压ug相反，因此电子受到高频电场的排斥而减小了动能，所减小的动能等于电子交给高频电场的能量，这部分能量就是回路上高频功率P~的来源。

电子以剩余的动能轰击板极，从而产生板耗。

3.5发射管的工作状态

根据放大器有无栅流及栅流大小（即动态工作范围）分类，可分为缓冲状态、欠压状态、临界状态、弱过压状态和强过压状态。

缓冲状态是指无栅流工作，此时电子管的板栅动特性只限于负栅压区中。

如图4-1（a）所示。

欠压状态是指虽然也有栅流，但和板流相比却十分微小，因而不至于使板流尖顶脉冲波形严重失真。

此时板栅动特性延伸到正栅压区，但延伸范围很小。

图4-1（b）所示。

过压状态是指栅流很大，板流脉冲波形有很大凹陷。

此时板栅动特性在正栅压延伸范围较大，称为过压状态。

过压状态又有弱过压和强过压之分。

板流脉冲有凹陷，但并不下降到零，称为弱过压状态

临界状态是指板栅动特性延伸到正栅区使板流脉冲出现平顶而尚未产生凹陷时的工作状态，此时栅流大于欠压状态的栅流。

4.仿真结果及分析总结

图5-1总电路图

将电路用Muitisim进行仿真运行，分别记录负载及激励电压Ug对功率放器的影响。

当功率放大器的电源电压+Ucc，基极偏压Ub，输入电压C确定后，如果电容导通角确定，则放大器的工作状态只取决于集电极回路的等效负载电阻Rp。

谐振功率放大器的交流负载特性如图所示。

图5-1谐振功率放大器的负载特性

激励电压ug＝Ugcosωt是随时间而变化的。

当Eg、Ea、Roe保持不变时，激励电压振幅Ug的变化对工作状态将产生影响：

当Ug＝0时，丙类高频功率放大器将处于截止状态。

当Ug由零开始增加，且eg＝Eg十Ug≥Eg时，板ia开始导通，在eg＜0时，栅流为零，显然此时为欠压状态。

Ug继续增加，且eg＝Eg十Ug≥0时，栅流ig开始出现，并随Ug增加而增大。

所以工作状态便由欠压进入临界进而转入过压状态。

由此可见，改变Ug大小，就可以改变工作状态。

图5-2Ug变化对工作状态影响的三组曲线

在谐振功放中，为了提高效率，都在丙类工作状态，或者工作在更高效率的丁类和戊类。

在这种情况下，功率管集电极电流为严重失真的脉冲序列波形或周期性的开关波形。

为实现不失真放大，必须限定输入信号为单一频率的高频正弦波（即载波信号）或者在高频附近占有很窄频带的已调波信号。

在这种信号作用下，功率管集电极电流波形为接近余弦的脉冲序列，用傅氏级数将它分解为平均分量，基波分量和各次谐波分量之和，输出滤波匹配网络取出基本波分量，滤除其它无用分量，就能在负载上获得不失真的输出信号。

同理，在功率管输入端，基极电流也是失真脉冲序列，通过输入匹配滤波网络的滤波作用，加到功率管输入端的为不失真的信号电压。

与非谐振功放一样，在特定的偏置条件下，对应于特定大小的输入信号，功率管有一最佳负载，这时，谐振功放的输出功率最大，效率也较高。

因此滤波匹配网络除了滤波作用外，还起到匹配作用，即将输出负载（往往是非电阻性负载）变换为功率管所需的最佳负载。

总之，谐振功放是在限定输入信号波形的情况下，通过滤波匹配网络，使输出负载上得到所需的不失真功率。

5.心得体会

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

通过这次的高频课设，加深了对电子电路理论知识的理解，并锻炼了实践动手能力，具备了高频电子电路的基本设计能力和基本调试能力，能够正确的使用实验仪器。

回顾起此次高频课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

现代科学技术的飞速发展，改变了人类的生活。

作为新世纪的大学生，应当站在时代发展的前列，掌握现代科学技术知识，调整自己的知识结构和能力结构，以适应社会发展的要求。

新世纪需要既有丰富的现代科学知识，能够独立解决面临的任务，充满活力，有创新意识的新型人才。

对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。

让我知道了学无止境的道理。

我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。

挫折是一份财富，经历是一份拥有。

这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！

6.参考文献

[1]张肃文《高频电子线路》高等教育出版社1979年5月第1次印刷。

[2]管致中《无线电技术基础》高等教育出版社1963

[3]董在望《通信电路原理》第二版高等教育出版社2002

[4]阳昌汉《高频电子线路》第2版哈尔滨哈尔滨工业大学出版社2001

[5]曹志刚钱亚生《现代通信原理》北京清华大学出版社1992