高頻諧振功率放大及倍頻實驗電路設(shè)計淺析

徐海飛 符宇鑫 盛曉春 任恒志

摘 要 作為電子通信專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一，高頻電子線路主要是學(xué)習(xí)電子元器件、模擬電路和電路系統(tǒng)，并掌握高頻電子線路概念及其原理，同時掌握非線性電路分析設(shè)計方法，為學(xué)習(xí)電子系統(tǒng)工程奠定堅實的基礎(chǔ)。基于此，本文就高頻諧振功率放大和倍頻實驗電路設(shè)計展開研究，首先闡述了其原理，其次對電路設(shè)計和分析進(jìn)行了研究，希望能夠了解諧振功放知識，并掌握倍頻電路相關(guān)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞 高頻諧振功率放大;倍頻試驗電路;設(shè)計

高頻諧振功率放大和倍頻作為高頻電子線路的重要知識點，其將高頻振蕩、甲乙類諧振放大、丙類諧振功率和倍頻電路等融合起來，其中，冰雷功放通過應(yīng)用并饋串聯(lián)諧振實現(xiàn)功率放大，為后續(xù)電路的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

1高頻諧振功率放大和倍頻實驗原理分析

高頻諧振功放晶體管饋電方式包括串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電兩種，而這兩種方式的電源電壓都是位于集電極上，二者的區(qū)別主要是濾波匹配網(wǎng)絡(luò)接入不同。串聯(lián)饋電濾波網(wǎng)絡(luò)位于直流高電位，網(wǎng)絡(luò)元件無法直接接地，并聯(lián)饋電位于直流地電位，網(wǎng)絡(luò)元件能夠直接接地，安裝也更加便利[1]。但是，高頻扼流圈并聯(lián)琵琶網(wǎng)絡(luò)會導(dǎo)致分布參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)調(diào)諧產(chǎn)生影響。諧振回路也分成了并聯(lián)諧振、串聯(lián)諧振兩種方式，當(dāng)前大部分資料主要介紹了串饋并聯(lián)諧振，對于并饋串聯(lián)諧振的研究比較少。因此，本文以并饋串聯(lián)諧振為對象展開研究。

三極管在丙類狀態(tài)工作時，集電極電流就是周期性尖頂余弦脈沖，具有較大的失真性，其中的諧波比較多，通過傅里葉分解后得到直流分量、基頻分量和諧波分量。受到電容隔直通交和高頻扼流圈隔直通交的影響，直流分量只能夠通過一條支路，無法通過另一條支路，而通過的那條支路對于諧波電流分量和基頻分量來說就是斷路，未通過的那條支路對于串聯(lián)諧振頻率會產(chǎn)生較小得到阻抗，對其他頻率電流分量來說會產(chǎn)生較大阻抗，也就是斷路[2]。因此，盡管集電極電流具有很大的失真性，但是其仍然可以獲得正弦波形輸出。以下圍繞諧振頻率為基頻展開分析。

本文圍繞諧振頻率為基頻展開分析，通過晶體管靜態(tài)特性和外部電路關(guān)系公式計算得到尖頂余弦脈沖電流解析式，其由脈沖高度和導(dǎo)通角所決定。通過傅里葉級數(shù)求系數(shù)法計算，可以得到不同頻次的電流諧波分量。從上述分析發(fā)現(xiàn)只有直流分量通過電源電流，由此可以得到電源供給直流功率。基頻分量則經(jīng)過了負(fù)載回路電流，可以得到其交流輸出功率;根據(jù)放大器集電極效率定義得到功率、效率曲線圖。按照放大器集電極效率可以得到功率效率曲線，從中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)導(dǎo)通角為0°時，集電極電流為0，無功率輸出，效率最大。當(dāng)導(dǎo)通角為120°時，效率與功率輸出有矛盾，需要平衡效率和功率輸出，或是根據(jù)電路實際需求尋找最佳的導(dǎo)通角。最佳導(dǎo)通角一般為了平衡功率和效率可以選擇70°。在選頻網(wǎng)絡(luò)諧振達(dá)到nw時，輸出分析參考諧振對基頻，得到功率和效率曲線，從中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)倍頻為2時，導(dǎo)通角在60°時功率最大，倍頻為3時，導(dǎo)通角在40°時功率最大，其可以為倍頻器設(shè)計提供參考[3]。

2高頻諧振功率放大及倍頻實驗電路設(shè)計

2.1 電路設(shè)計

實驗電路圖中，信號發(fā)生電路核心為晶體管S9018、6MHz石英晶體，甲類諧振放大電路核心是晶體管S8050、6MHz并聯(lián)諧振回路，可以用于放大、選頻。丙類二倍頻電路核心是晶體管2SD467、12MHz并聯(lián)諧振回路。為保證丙類工作，應(yīng)用基極自給偏壓電路。異類諧振放大電路采用二極管IN4148確保基極直流電壓鉗位于0.7V位置，放大器處于乙類狀態(tài)。級間匹配網(wǎng)絡(luò)能夠得到最佳匹配阻抗。丙類諧振功放核心為2SC1970功率管、12MHz并饋串聯(lián)諧振回路，應(yīng)用基極自給偏壓電路，放大輸出最后功率。為了保證丙類二倍電路輸出功率最大，導(dǎo)通角為60°，經(jīng)過計算得到輸入電壓幅值為1.4V，70°時，電壓幅值為2V，即為丙類諧振功放電路要求電壓幅值[4]。

乙類諧振放大電路最佳負(fù)載阻抗大，功放電路輸入阻抗小，級間匹配網(wǎng)絡(luò)具有阻抗匹配以及濾除諧波功能。匹配網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)T型結(jié)構(gòu)。匹配網(wǎng)絡(luò)效率取0.8。

按照2SC1970手冊，供電電壓為12V，輸出功率為1W，則輸入功率即為0.1W。匹配網(wǎng)絡(luò)效率是0.8時，可以獲得乙類放大器輸出功率，通過計算得到其輸出功率為0.125W。在對乙類放大器輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，將其調(diào)整成5V，可以得到最佳的負(fù)載阻抗為100Ω。通過計算可得匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，基極輸入阻抗影響著電感，但是其標(biāo)稱值具有一定限制，因此，需要先確定其取值后計算阻抗值。由此可以得到，即基極電感為10時，阻抗為94.25，不超過最佳負(fù)載阻抗，其與前提條件相符。同時，計算可得匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，電容為17.1，電容電抗為0.51[5]。

2.2 測試分析

本文的電路設(shè)計測試時，通過設(shè)計的匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對乙類放大器輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，將其調(diào)整成5/12，正弦波，通過級間匹配網(wǎng)絡(luò)可得2/12正弦信號，利用跳線對功放負(fù)載電阻進(jìn)行選擇，得到輸出電波。

在分析放大器負(fù)載特性時，若負(fù)載回路諧振可以將負(fù)載電阻改變，進(jìn)而得到負(fù)載特性。功率管基極輸入信號2/12，諧振功放負(fù)載電阻得以改變，采用示波器對負(fù)載兩邊輸出電壓進(jìn)行觀察，并記錄數(shù)據(jù)，繪制曲線圖。當(dāng)負(fù)載電阻上升時，放大器會從欠壓狀態(tài)進(jìn)入到過壓狀態(tài)，電流脈沖也形成了凹陷型的脈沖波。

3結(jié)束語

綜上，本研究將高頻電路中的倍頻、信號和功率放大、功率振蕩等結(jié)合起來，進(jìn)行相關(guān)的實驗測試，實驗得到，本文所設(shè)計的電路能夠?qū)崿F(xiàn)倍頻和諧振功率放大，因此，該電路具有一定的應(yīng)用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓新風(fēng)，王玉蓮，張永鋒.高頻諧振丙類功率放大器仿真分析[J].長春師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，38（2）：24-31.

[2] 李春紅，劉麗娟，張華.丙類高頻諧振功率放大器實驗效率誤差分析[J].大學(xué)物理實驗，2018，31（6）：112-116.

[3] 劉小偉.磁耦合諧振式無線電能傳輸E類功放的設(shè)計與實現(xiàn)[D].無錫：江南大學(xué)，2019.

[4] 金偉正，陶琴，楊光義.諧振功率放大器實驗教學(xué)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2017（1）：109-112.

[5] 張佳妮.磁諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的高頻功放設(shè)計與平臺測試[D].重慶：重慶大學(xué)，2016.