高頻諧振功率放大及倍頻實驗電路的設計

金偉正， 陶 琴， 楊光義

(武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢 430072)

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高頻諧振功率放大及倍頻實驗電路的設計

金偉正， 陶 琴， 楊光義

(武漢大學 電子信息學院，湖北 武漢 430072)

高頻諧振功率放大及倍頻是“高頻電子線路”課程教學中的重、難點內容。本文重點介紹了一種高頻諧振功率放大及倍頻實驗電路，該電路將高頻振蕩電路、甲乙類諧振放大電路、丙類諧振功率放大以及倍頻電路融合在一起。其中丙類功放創新采用并饋串聯諧振回路，并進行了理論分析，同時也詳細地敘述了級間匹配。將這套電路引入課堂教學和課后實驗，可以幫助學生更深刻的理解高頻電子線路相關內容，并為今后的設計工作打下良好的基礎。

高頻諧振功率放大； 倍頻； 級間匹配； 并饋； 串聯諧振

0 引 言

高頻電子線路是電子、通信等專業的主干基礎課程，該課程的基本目的是學習常用電子元件器件、模擬電路以及簡單的電路系統，掌握高頻電子線路各單元電路的基本概念和工作原理，掌握各種非線性電子線路分析和設計方法，為電子系統的工程實現等后續課程打下必備的基礎[1-2]。本文重點介紹了一套高頻諧振功率放大(簡稱功放)實驗電路，涵蓋晶體振蕩器、甲類諧振放大器、乙類諧振放大器、丙類諧振功放以及倍頻器等內容。通過本實驗電路的學習，學生可以比較分析各類諧振放大器的異同，深刻理解諧振功放的相關知識點，領會倍頻電路的學習要點[3-6]。

1 原理介紹

高頻諧振功放的晶體管饋電方式分為串聯饋電(簡稱串饋，如圖1所示)與并聯饋電(簡稱并饋，如圖2所示)。兩種饋電方式的電源電壓都能全部加到集電極上，區別在于濾波匹配網絡的接入方式。串饋的匹配濾波網絡處于直流高電位，網絡元件不能直接接地。并饋的匹配網絡處于直流地電位上，網絡元件可直接接地，安裝比串饋方便，但是高頻扼流圈與匹配網絡相并聯，分布參數影響網絡調諧。諧振回路又分為并聯諧振和串聯諧振，很多資料都對串饋并聯諧振進行了詳細的分析，而對并饋串聯諧振一筆帶過。本文選擇并饋串聯諧振，意在填補這方面的空缺。

(a) 串聯并聯諧振電路

(b) 等效電路

圖1 串饋并聯諧振電路

(a) 串聯并聯諧振電路

(b) 等效電路

圖2 并饋串聯諧振電路

當三極管工作在丙類狀態時，典型的集電極電流iC為周期性尖頂余弦脈沖，失真很大，包含很多諧波。將iC經過傅里葉分解后得：

(1)

其中：IC0為直流分量；Icm1cosωt為基頻分量；Icmncosnωt為n次諧波分量，n=2，3，4，…。

圖2中，UCC為電源電壓，LC為高頻扼流圈，LCR為串聯諧振回路，其中R為負載電阻。由于電容具有隔直通交、高頻扼流圈具有隔交通直的作用，直流分量IC0只流過支路1，不流過支路2。同時，支路1對于基頻和各次諧波電流分量相當于斷路。支路2對于串聯諧振頻率呈現較小的阻抗(諧振頻率可以是基頻或n次諧波頻率，取決于L、C的取值)，對于其他頻率的電流分量呈現較大的阻抗，相當于斷路。所以，雖然iC的失真很大，但是仍然能得到正弦波形Ucmcosnωt的輸出。下面以諧振頻率為基頻時為例進行討論。

晶體管理想化靜態特性曲線可表示為：

iC=gC(vBE-vBZ)

(2)

它的外部電路關系為：

vBE=Ubmcosωt+UBB-UE=

Ubmcosωt+UBB-iCRE

(3)

vCE=UCC-Ucmcosωt-UE=

UCC-Ucmcosωt-iCRE

(4)

將式(3)代入式(2)得：

iC=gC(Ubmcosωt+UBB-iCRE-UBZ)

(5)

化簡后求得:

(6)

(7)

將式(6)與式(7)相除，得：

(8)

即為尖頂余弦脈沖電流的解析式，它完全取決于脈沖高度iCmax和導通角θc。

根據傅里葉級數求系數法，計算IC0,Icm1,…,Icmn的表達式，得：

(9)

(10)

iCmaxαn(θc)

(11)

式中，α0,α1…,αn是θc的函數，稱為尖頂余弦脈沖的分解系數，以n=2,3,…值代入式(11)，即可得二次、三次……電流諧波分量。

由上述分析可知，通過電源的電流只有直流分量IC0，所以電源供給的直流功率PD為：

(12)

通過負載回路的電流只有基頻分量Icm1cosωt所以對于交流輸出功率PO有：

(13)

式中，R為諧振于基頻對應的諧振電阻。

由放大器的集電極效率η定義計算得：

(14)

圖3 功放的功率和效率曲線

圖4 二倍頻和三倍頻功率效率圖

當選頻網絡諧振于nω時，輸出的分析參照諧振于基頻，所以有：

(15)

(16)

式中，R為諧振于n倍頻對應的諧振電阻。

根據式(15)和式(16)，取n=2和3，繪制出功率和效率曲線如圖4所示。由圖4可見，二倍頻時，θc=60°功率達到最大值；三倍頻時，θc=40°功率達到最大值。這些數值是設計倍頻器的參考值。

2 實驗電路的設計與計算

2.1 總體設計

實驗電路框圖如圖5所示。信號發生電路以晶體管S9018和6MHz石英晶體為核心，產生6 MHz的信號；甲類諧振放大電路以晶體管S8050和6 MHz并聯諧振回路為核心，實現放大與選頻，為下一級提供足夠幅值的激勵信號；丙類二倍頻電路以晶體管2SD467和12 MHz并聯諧振回路為核心，將6 MHz信號進行二倍頻，得到12 MHz的正弦信號。采用基極自給偏壓電路保證丙類工作，同時維持放大器的工作穩定[9]；乙類諧振放大電路利用二極管IN4148將放大器的基極直流電壓鉗位在0.7 V，保證放大器工作在乙類狀態；級間匹配網絡使后級功率管的基極輸入阻抗與前級放大器輸出所需要的最佳阻抗相匹配；丙類諧振功放以功率管2SC1970和12 MHz并饋串聯諧振回路為核心，采用基極自給偏置保證丙類工作，完成最后的功率放大輸出。

圖5 高頻諧振功率放大及倍頻實驗電路框圖

為使丙類二倍頻電路的輸出功率達到最大值，取θc=60°。由式(3)可得，當ωt=θc,時iC=gc(Ubmcosθc+UBB-0-UBZ)=0，求得：

(17)

令UBB=0，UBZ=0.7 V，cosθc=cos60°=0.5，得Ubm=1.4 V，這就是丙類二倍頻電路要求的輸入電壓幅值。同理，取θc=70°，求得輸入電壓幅值Ubm=2 V，這就是丙類諧振功放電路要求的輸入電壓幅值。

2.2 級間匹配網絡的設計

由于乙類諧振放大電路所要求的最佳負載阻抗RP較大，而丙類諧振功放電路的輸入阻抗Ri又很小，電路引入級間匹配網絡，起到阻抗匹配和濾除諧波的作用[10]。匹配網絡采用“T”型結構形式，如圖6所示。

[1,11-13]有計算公式：

XL=QLRi

(18)

(a) 級間匹配網絡電路

(b) 匹配網絡等效電路

圖6 T型網絡及其等效電路

(19)

(20)

其中:QL為有載品質因素;Ri為基極輸入阻抗;RP為前級最佳負載阻抗;XL、XC1、XC2分別為電感L、電容C1、電容C2的電抗。公式運用的前提條件是RP>Ri。

由式(18)可知，基極輸入阻抗Ri直接決定了XL，然而電感的標稱值有限，所以首先確定電感L的取值，反算出基極輸入阻抗Ri的值，只要滿足前提條件RP>Ri，就認為是可取的。所以，取L=10 μH，算出Ri=94.25 Ω

根據QL、Ri和RP的值，就可以根據公式(18)～(20)得到匹配網絡的參數，分別為：L=10 μH，C1=17.1 pF，C2=0.51 pF。特別需要強調的是，C1的計算結果為非標稱值，不能隨意近似為臨近的標稱值，比如15 pF或18 pF，否則可能導致匹配網絡不能達到預期的效果。實際電路中，C1采用20 pF的可調電容。

2.3 整體實驗電路

整體實驗電路如圖7所示。BG1為三極管S9018，BG2為三極管S8050，BG3和BG4為三極管2SD467，BG5為高頻功率管2SC1970。JP1為選擇開關，可以通過跳線選擇功放的負載電阻。圖7中，C23對應圖6中的C1，C30對應圖6中的C2，L7對應圖6中的L。

圖7 高頻諧振功放及倍頻實驗電路

3 實驗測試與數據分析

本文設計的實驗電路已經成功應用在武漢大學自主研發的高頻電子線路實驗系統上，實驗測試在該實驗系統上進行。由于本文已經給出了完整的實驗電路圖(見圖7)，限于論文篇幅，本文僅對高頻諧振功率放大器進行重點測試和分析，其他電路的測試略過，有興趣的讀者可以自行搭建電路復現。

3.1 丙類高頻諧振功率放大器測試

基于論文2.2節對匹配網絡參數的設計，調整乙類放大器的輸出電壓Ucm乙為5 V/12 MHz的正弦波，如圖8(a)所示。經過級間匹配網絡后，得到2 V/12 MHz的正弦信號，如圖8(b)所示。通過跳線選擇功放負載電阻，如RL=470 Ω，得到相應的輸出波形，如圖8(c)所示。

3.2 丙類高頻諧振功率放大器負載特性分析

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[15]。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。根據表1繪制負載電阻-輸出電壓/輸出功率曲線，如圖9所示。

(a)乙類放大器輸出波形

(b)級間匹配網絡輸出波形

(c)功放輸出波形

序號負載電阻RL/Ω輸出電壓UP-P/V輸出功率,PO/W1242.80.3272514.70.43331008.00.64041509.80.640520010.60.562624010.80.486739010.00.25684709.50.19296809.00.1191010008.40.071

圖9 負載電阻-輸出電壓/輸出功率曲線

分析圖9可知，隨著負載電阻R的增加，放大器由欠壓進入過壓狀態，相應的iC由接近余弦變化的電流脈沖變為凹陷的脈沖波。在欠壓區，R由小增大時，尖頂余弦脈沖電流僅是高度略有減小，相應的IC0和Icm1在欠壓區近似不變，因而輸出電壓(Icm1R)和輸出功率(Icm12R)隨R近似線性增大；在過壓區，隨著R增大，電脈沖高度減小，凹陷加深，相應的IC0和Icm1減小，使得輸出電壓(Icm1R)有小幅度減小，同時輸出功率(Icm12R)也減小。

4 結 語

本文介紹的高頻諧振功率放大及倍頻器實驗電

路，將高頻電子線路中的振蕩、倍頻、信號放大、功率放大結合在一起，覆蓋知識面廣，體現了很強的綜合性和創新性，豐富了實驗教學內容。實驗結果表明，該電路成功的完成了振蕩、倍頻及功率放大等功能，目前已成功應用于武漢大學電子信息學院高頻電子線路實驗課程，實驗效果良好。

[1] 張肅文.高頻電子線路[M].5版.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] 吳元亮,徐 勇，關 宇，等.丙類功率放大器多向融合探究式教學案例[C]//中國電子教育學會高教分會2014年學術年會論文集,2014：111-116.

[4] 孫小芳，龔冬梅，黃世梅.高頻諧振功率放大器特性的實驗研究[J].科技創新與應用,2015(15):18-19.

[5] 王朋朋,房金明.高頻小信號放大器與高頻功率放大器之對比學習[J].科技信息，2008,36:266.

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

[7] 李智群.通信電子線路[M].北京：清華大學出版社，2011.

[8] 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].現代電子技術，2007(1):170-172.

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

[10] Li C.H.,Gao X.H.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.

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

[12] 杜文升.高頻功率放大器匹配網絡的分析與計算[J].東北重型機械學院學報，1979，Z1:131-150.

[13] Gary Breed.Improving the Bandwidth of Simple Matching Networks[J].High Frequency Electronics,2008,LLC:56-60.

[14] MITSUBISHI ELECTRIC. MITSUBISHI RF POWER TRANSISTOR 2SC1970[EBOL].WWW.ICminer.com.

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

Design of the Experimental Circuits for High Frequency Resonance Power Amplifier and Frequency Multiplier

JINWei-zheng,TAOQin,YANGGuang-yi

(Electronic Information College, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

High frequency resonance power amplifier and frequency multiplier are the key and difficult part of the “high frequency electronic circuit” course. This article mainly introduces a new high frequency resonance power amplifier and frequency multiplier experimental circuit, which contains the high-frequency oscillation circuit, resonance classes A, B amplifier circuits, class C resonance power amplifier and frequency doubling circuit. It is an innovation to use and analyze the series resonance circuit and parallel feedback in class C power amplifier. And the design of the matching network between two levels is given in detail. The experiment shows that the circuit works well, and can help students to have a deeper understanding of the related contents in high frequency electronic circuit, and lay a good foundation for the future work.

high frequency resonance power amplifier; frequency multiplier; matching between two levels； parallel feedback; series resonance

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2016-03-14

武漢大學設備處開放實驗項目(WHU-2016-KFSY-3)

金偉正(1966-)，男，湖北武漢人，碩士，副教授，從事高頻電子線路教學和軟件無線電等的科研工作。

Tel.：13871326306；E-mail: jwz@whu.edu.cn

TN 761.2；G 642.423

A

1006-7167(2016)09-0214-05