廣播調頻發射系統中功率放大器優化設計方法探討

摘要：本文探討了廣播調頻發射系統中功率放大器的優化設計方法，通過采用高效率功率放大器設計、分級功率放大、功率合并器以及功率控制與反饋調節等技術，旨在提高廣播信號的傳輸效率和覆蓋范圍，為調頻廣播發射機的性能提升提供重要參考。

關鍵詞：廣播調頻發射；功率放大器；優化設計；增益控制

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.03.022

中圖分類號：TN 710；TN 93 " " " " "文獻標志碼：B " " " " " "文章編碼：1672-7274（2025）03-00-03

Optimization Design of Power Amplifiers in FM Broadcasting Transmitting Systems

LV Hanjun

（No. 841 Station of Inner Mongolia Autonomous Region Radio and Television Transmission and Emission Center， Hohhot 010000， China）

Abstract： This paper discusses the optimization design of power amplifiers in FM broadcasting transmitting systems. By adopting technologies such as high-efficiency power amplifier design， hierarchical power amplification， power combiners， and power control and feedback regulation， it aims to improve the transmission efficiency and coverage range of broadcast signals， providing an important reference for the performance improvement of FM broadcast transmitters.

Keywords： FM broadcasting transmission; power amplifier; optimization design; gain control

0 " 引言

在廣播調頻發射系統中，功率放大器作為核心組件，其性能直接影響著廣播信號的傳輸質量和覆蓋范圍。傳統的功率放大器設計往往存在效率低下、能耗較高以及信號失真等問題，難以滿足現代廣播系統的需求。因此，對功率放大器進行優化設計顯得尤為重要。本文旨在探討廣播調頻發射系統中功率放大器的優化設計方法。通過深入分析功率放大器的工作原理及性能指標，結合現代電子技術的發展成果，提出了一系列優化設計方案。這些方案包括采用高效率功率放大電路、實施分級功率放大策略、優化功率合并器結構以及加強功率控制與反饋調節等。本文將對為廣播調頻發射機的性能提升提供有力支持，具有重要的實用價值。

1 " 功率放大器的基本原理與設計需求

1.1 功率放大器的工作原理

功率放大器的基本工作原理是對輸入信號進行放大，使其達到系統要求的輸出功率，以確保輸出信號具有足夠的強度。根據工作效率和線性度的要求，功率放大器主要分為A類、B類、AB類和C類。其中，A類放大器在整個信號周期內均有電流通過，具有極高的線性度，但效率較低，適合低功率、精度要求高的場景。B類放大器在信號的正負半周期分別導通，效率高于A類，但容易產生交越失真，常用于中等精度的應用。AB類放大器結合了A類和B類放大器的特性，適當提升了效率并降低了失真，是一種性能和效率的折中選擇。C類放大器只在信號峰值時導通，效率最高，但失真較大，通常應用于對失真要求不高的高頻功率放大場合。

1.2 功率放大器在FMTE系統中的技術要求

FMTE系統的功率放大器的主要任務是將調制后的音頻信號放大到足夠的輸出功率，以確保信號在傳播過程中克服環境衰減，保持高質量傳輸。FMTE系統對功率放大器的具體技術要求包括高線性度、低失真、寬帶響應、高效率及良好的散熱能力。功率放大器在確保信號增益的同時，需確保線性放大信號幅值，避免諧波失真及交叉失真，以提升信號的傳輸質量[1]。放大器電路見圖1。

圖1顯示的是一個音頻功率放大器電路示意圖，輸入信號ui從左下方進入，通過電位器RP1進行初步調節，然后經過耦合電容C1輸入到放大電路中。電容C1主要用于隔離直流成分，僅讓交流信號通過。輸入信號進入三極管VT1和VT2的前置放大級，將微弱的音頻信號進行放大。電阻RE1和RE2組成分壓電路，為三極管提供穩定的偏置電壓，確保放大器工作在合適的工作點。經過前置放大級放大后的信號，經過VT3和VT4等推動級放大提升電流能力，為最終的功率輸出做準備。電路中使用了電容C2、C3等進行濾波，以消除信號中的高頻噪聲。經過推動放大后的信號進入輸出級VT5和揚聲器Y1。C5為輸出電容，用于隔離直流成分，確保僅有交流信號進入揚聲器。電路中的反饋電阻和電容（如R15和C9）用于穩定電路工作狀態，抑制自激振蕩，確保放大器在穩定狀態下工作，提供清晰的音頻信號。

1.3 功率放大器的主要設計指標

散熱能力直接影響功率放大器的穩定性和使用壽命，在功率放大器運行過程中，輸入的電能不可能全部轉換為輸出功率，不可避免地會產生熱量。如果熱量不能及時有效地散發，功率放大器的溫度會不斷升高，可能導致元件失效或性能下降。功率放大器的散熱性能通常通過熱阻（單位：℃/W）來衡量，熱阻越低，散熱效果越好。設計時可以選擇合適的散熱片、散熱風扇或者主動冷卻系統來有效降低熱阻，確保放大器在高功率輸出下保持穩定的工作溫度。FMTE系統要求功率放大器的熱阻低于20℃/W，以保證其在持續工作狀態下不會因過熱而引發故障，以便延長設備的使用壽命并維持信號傳輸的可靠性。

功率放大器的設計需滿足多個關鍵指標，以實現高性能的信號放大與傳輸，常包括輸出功率、效率、線性度、帶寬、失真度等，具體數值見表1。輸出功率決定了信號的傳播范圍，通常FMTE系統的輸出功率范圍為5 W～50 W，以滿足室內和較小室外區域的信號覆蓋需求。效率則表示輸入功率轉化為輸出功率的比例，效率越高越能減少熱損耗。常用的功率放大器在A類和B類放大模式下，其效率通常分別為20%～30%及50%～70%。

2 " 功率放大器的優化設計

2.1 增益控制與效率提升

FMTE系統中功率放大器增益控制依賴于電路放大比的穩定性，以滿足不同輸入功率的需求。增益控制可以采用反饋網絡，使得輸出信號穩定在設定范圍。常用的增益控制方案包括負反饋控制和自動增益控制（Automatic Gain Control）[3]。效率提升的核心在于減少功率損耗，提升功率轉換的有效性，A類功率放大器效率在20%到30%之間，而B類和D類功率放大器效率可達50%到70%。D類放大器的高效率取決于其開關放大方式，在導通和關斷狀態間快速切換，減少了線性放大中的靜態損耗。結合實際應用需求，可選擇不同類別的放大器以平衡效率和增益需求。實驗結果顯示，B類放大器在30W輸出功率下的效率達到65%，而同等功率下A類放大器效率僅為25%。表2顯示了不同放大器類型下的效率數據，優化設計可采用B類或D類放大器，提升系統整體能量利用率。

2.2 線性度優化

功率放大器的非線性失真是一個關鍵問題，它直接關乎輸出信號的質量與純度。其中，IMD（交調失真）和THD（總諧波失真）作為衡量放大器線性度的重要指標，其大小直接反映了信號在放大過程中的扭曲程度。為了有效減小這種非線性失真，提升放大器的線性度，引入反饋網絡成為一種行之有效的手段。在反饋網絡的設計過程中，選擇恰當的負反饋系數至關重要，它不僅能夠在增益與穩定性之間找到最佳平衡點，還能顯著減少失真幅度，從而確保功率放大器輸出信號的高保真度[4]。根據表3所示測量數據表格可以看出，線性度優化在功率提升的情況下，能顯著改善失真度。

3 " 優化設計的實現方法

3.1 增益提升電路的實現

本電路設計融合了負反饋控制與推挽放大器架構的優勢。推挽放大電路通過兩個晶體管的交替導通，實現了信號的高效放大，產生反相輸出，增加了增益并降低了失真。而負反饋控制的引入，則像一把精準的調節器，穩定了放大器的增益，有效抑制了非線性失真的產生，極大地提升了放大器的整體性能。反饋回路的精心設計，使得信號的增益變化得以平滑過渡，確保了放大器在各種工作狀態下都能保持穩定、高效運行。

3.2 頻率響應調節與帶寬擴展技術

帶寬擴展通常通過調節電路中電感、電容參數，使放大器覆蓋更寬的頻率范圍。諧振頻率計算公式為：

（1）

式中，和分別代表電路中的電感和電容，通過使電感和電容的數值增大或減小，對放大器的頻響和頻寬進行一定范圍的調節，以保證在多信號中均勻放大。帶寬擴展也可采用多段放大器設計，將各級放大器連接在不同的帶濾波器上，以平衡頻率反應。不同的中心頻率和帶寬相結合的帶濾波器設計，可以保證不同信號得到均勻的增益。

4 " 系統應用與實際效能分析

4.1 功率放大器在實際系統中的應用設計

為了保證信號放大過程中的高效率和穩定性，功率放大器在FMTE系統中的應用設計需要從電路架構、散熱措施和電源管理等方面考慮。在實際應用中，該放大器采用推進式放大設計，在不同的信號周期內，利用兩極互補的MOSFET導管分別導通以確保輸出信號穩定，并能有效降低電力損失與非線性畸變，提升信號品質[5]。放大器配備了主動散熱與被動散熱相結合的系統，加強了熱管理能力，以適應不同的環境溫度。

4.2 優化設計對系統中效能提升分析

優化后的功率放大器設計對系統效能提升有顯著作用。具體效能參數如增益、效率、功率因數等，通過式（2）計算：

（2）

式中，表示放大器的效率，和分別表示輸出功率和輸入功率。實驗結果表明，在優化設計下，放大器效率由原始設計的68%提升至78%。增益性能在優化后達到了36 dB，遠高于傳統設計的30 dB，優化設計的線性度控制也顯著改善，采用負反饋控制方式，使總諧波失真（THD）降低到0.5%以下，達到了高質量音頻信號傳輸的需求。

4.3 FMTE系統整體效能改進展望

在優化設計的強力驅動下，FMTE系統的整體效能實現了顯著提升。本實驗采用了經過精心優化設計的FMTE系統，其中包含了升級的功率放大器、精細調校的反饋控制網絡以及高效的自動增益控制（AGC）系統。為了確保實驗結果的準確性，實驗環境被嚴格控制在可控條件下，以最大限度地減少外部干擾的影響。特別是在測試多頻段信號時，我們選擇了覆蓋低頻、中頻和高頻范圍的信號，并對輸入信號的功率和頻率在系統工作范圍內進行了細致調整，以全面驗證功率放大器的放大效果及增益控制的靈活調節能力。

5 " 結束語

本文探討了廣播調頻發射（FMTE）系統的功放優化設計，通過深入分析功放的基本原理、關鍵設計需求和性能瓶頸提出增益控制、線性度優化、熱管理與散熱設計等優化策略。實際應用表明，優化設計在提高放大器效率、頻率響應和穩定性方面效果顯著，使FMTE系統的整體性能有了更大的提高。本文提出的可行技術路徑和優化方法，可供未來同類系統的設計使用，有助于高效可靠地促進廣播FM發射系統的發展。

參考文獻

[1] 沈龍輝，易智，汪浩，等.調頻廣播多頻率寬頻帶發射系統的設計與實現[J].廣播與電視技術，2024，51（10）：106-109.

[2] 李娜.基于網絡通信技術的廣播電視調頻發射系統設計[J].電聲技術，

2024，48（06）：135-138.

[3] 許俊，熊碧剛.淺析一種廣播發射臺站模塊化分布式冗余備份架構的實踐[J].廣播電視網絡，2023，30（12）：96-98.

[4] 陳威，楊珩.智能廣播調頻發射綜合監控系統建設[J].西部廣播電視，

2023，44（S1）：209-214.

[5] 王鯤鵬，李敏.民族廣播調頻發射遠程監控系統設計與實現[J].電子元器件與信息技術，2023，7（11）：196-200.