仿真實驗在“高頻電子電路”課程中的作用

趙彥平 王 波 王 勇 陳玫玫 王 剛

(吉林大學 通信工程學院, 長春 130012)

“高頻電子電路”課程是通信工程、電子信息工程等專業的專業基礎課,主要內容包括高頻小信號諧振放大器、諧振功率放大器、正弦波振蕩器、振幅調制、解調與混頻電路、角度調制與解調等內容。該課程理論性和實踐性都很強,理論抽象,原理較為復雜,公式推導多,電路分析要求高,應用性強,學生普遍反映這門課難度大[1-5]。因此針對不同的教學內容探索合理的教學方法十分必要[6-8]。這門課教學過程中引入仿真實驗,有利于學生對原理的理解,能夠提高學生的學習興趣[9-10]。

在教學過程中采用理論分析和仿真實驗相結合的教學方式會使問題變得直觀,易于理解,在實驗教學中也具有顯著效果[11-13]。本文以LC諧振回路為例說明仿真實驗的作用。

LC諧振回路貫穿整個“高頻電子電路”課程的始終,在高頻電子線路中起著重要的作用,雖然LC諧振回路構造簡單,但其原理和特性并不容易理解和掌握[14]。LC諧振回路是構成諧振功率放大器、正弦波振蕩器、高頻小信號諧振放大器、角度解調等電路的基礎,在這些電路中實現不同的功能:在諧振功率放大器中具有選頻和阻抗匹配的作用,實現高效輸出大功率的目的;在正弦波振蕩器中滿足反饋振蕩器相位的穩定條件,利用其工作在失諧狀態下呈感性或容性構成三點式正弦波振蕩器;在高頻小信號諧振放大器中用來選出從天線接收到的微弱信號并進行放大,起到選頻的作用;在角度解調電路中具有頻幅和頻相轉換功能,構成斜率鑒頻器或相位鑒頻器,實現角度調制信號的解調[14-15]。

1 LC諧振回路

1.1 LC諧振回路特性

帶負載的LC諧振回路如圖1(a)所示[15]。圖中L為電感,C為電容,RL為負載電阻,不考慮電感損耗電阻,電路總阻抗為

(a) 帶負載的電路

(b) 等效電路圖1 LC諧振回路

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(4)的近似計算,前提是Qe?1。回路的有載品質因數越大,諧波抑制度越好,選頻特性越好。但在諧振功率放大器實際應用中,考慮輸出功率的傳輸效率,回路的有載品質因數都較小,一般在10以下,所以常用匹配濾波網絡實現阻抗匹配,達到高傳輸效率的目的。

1.2 LC諧振回路阻抗特性仿真分析

圖2 LC諧振回路阻抗的幅頻特性

圖3 LC諧振回路阻抗的相頻特性

對式(4)進行仿真實驗,RL分別為30 Ω、20 Ω和10 Ω,得到高Qe情況下阻抗的幅頻特性和相頻特性,分別如圖4和圖5所示。從圖中可以看出,發生諧振時,諧振頻率為f0,此時諧振電阻為最大值,相位為零,而且Qe越大,曲線通頻帶越窄,選頻特性越好。從圖4可以看出,利用失諧情況下曲線斜率,可以實現斜率鑒頻。從圖5可以看出,利用相頻特性曲線,可以實現相位鑒頻,而且阻抗的相頻特征曲線為負斜率,利用LC并聯諧振回路構成反饋振蕩器時,滿足相位穩定的條件。

圖4 高Q情況下LC諧振回路阻抗的幅頻特性

圖5 高Q情況下LC諧振回路阻抗的相頻特性

1.3 LC諧振回路電抗特性仿真分析

圖6 LC并聯諧振回路電抗特性曲線

圖7 LC串聯諧振回路電抗特性曲線

2 結語

本文以LC諧振回路為例,討論了仿真實驗對“高頻電子電路”課程的作用。從LC諧振回路的理論分析入手,通過仿真實驗進行驗證,直觀地分析了LC諧振回路的特性,得到了高頻電子電路中高Qe情況下才能進行近似計算,而且高Qe選頻特性好的結論。利用諧振回路不同的特性可實現選頻、阻抗匹配、正弦波振蕩器和鑒頻等功能。由于高頻電路很難進行精準計算,在理論分析時通常采用近似計算,仿真實驗在設計過程中也沒有考慮由于工作頻率高帶來的非理想因素對仿真結果的影響。在教學過程中,采用理論分析和仿真實驗相結合的方式,不僅能使復雜問題變得直觀,易于理解,而且還能提高課堂效率,有利于學生對實驗結果的分析和理解。