高頻功率放大器調(diào)制特性分析

霍文曉，車曉巖，胡新艷

（青島農(nóng)業(yè)大學理學與信息科學學院，山東青島266109）

高頻功率放大器調(diào)制特性分析

霍文曉，車曉巖，胡新艷

（青島農(nóng)業(yè)大學理學與信息科學學院，山東青島266109）

高頻功率放大器是通信系統(tǒng)發(fā)送設(shè)備的重要組成部分，在此利用Multisim仿真軟件對高頻功率放大器的調(diào)制特性進行了分析。結(jié)果表明基極調(diào)制比集電極調(diào)制所需的調(diào)制功率更小，與理論分析一致；與傳統(tǒng)實驗相比，仿真分析結(jié)果形象直觀，容易理解，仿真實驗更能激發(fā)學生的積極性和主動性。

高頻功率放大器；調(diào)制特性；Multisim；仿真實驗

0 引言

高頻功率放大器是通信系統(tǒng)發(fā)送設(shè)備的重要組成部分[1?2]。它的主要功能是可以提供足夠大的高頻輸出功率，以便將信號通過天線輻射出去。高頻功率放大器的另外一個作用是可以構(gòu)成高電平調(diào)幅電路，利用調(diào)制信號控制放大器的輸出，這樣既可以實現(xiàn)調(diào)幅，又能夠兼顧功率和效率。因此，討論高頻功率放大器的調(diào)制特性非常必要。

高頻實驗中經(jīng)常使用的實驗箱雖然也可以實現(xiàn)調(diào)幅功能，但是因為工作在高電平的電路很容易損壞[3]，且電路固定，學生所能做的操作僅僅只是連接幾根導(dǎo)線，這與課本上的理論知識聯(lián)系不緊密，無法調(diào)動學生的積極性和主動性。使用仿真軟件可以很好地克服這個缺點[4?5]。仿真實驗中，學生自己設(shè)計電路，自己確定測量對象或測量方式。這樣既加深了對理論知識的理解，又鍛煉了學生的動手能力，充分調(diào)動學生的學習興趣和主動性[6?8]。

本文使用Multisim仿真軟件對高頻功率放大器的調(diào)制特性進行分析。根據(jù)分析結(jié)果，設(shè)計調(diào)幅電路，查看調(diào)幅結(jié)果，并對兩種調(diào)幅電路進行比較。

1 高頻功率放大器仿真電路

根據(jù)高頻功率放大器的原理圖[2]，設(shè)計仿真分析電路如圖1所示。

圖1 高頻功率放大器仿真電路

圖中：Vb為基極激勵電壓，即高頻信號輸入，振幅為1 V、頻率1 MHz；VBB為基極偏置電壓，為了保證工作在丙類狀態(tài)，VBB為-1 V；VCC為集電極偏置電壓，大小12 V；諧振回路中電感L取126 μH；電容C取200 pF；負載電阻R取20 kΩ。

2 負載特性

高頻功率放大器的負載特性是指在輸入信號和偏置電壓不變的條件下，放大器的集電極電流電壓隨負載電阻的變化關(guān)系[2]。電阻分別選擇0.5 kΩ，1 kΩ，10 kΩ，

20 kΩ，50 kΩ時觀察集電極電壓波形，如圖2所示。

圖2 不同負載電阻對應(yīng)集電極電壓波形

從波形圖可以觀察到當電阻在小于10 kΩ，波形振幅變化較大，說明此時處于欠壓狀態(tài)。當電阻在10～50 kΩ之間變化時，輸出波形變化不大，說明此時處于過壓狀態(tài)。

結(jié)論：隨著負載的增大，電壓從迅速增大到基本保持不變，這個過程也就是課本上所說的從欠壓進入到過壓狀態(tài)。因此可適當調(diào)整負載大小，以保證放大器工作在過壓或欠壓狀態(tài)。

3 集電極調(diào)制特性

高頻功率放大器的集電極調(diào)制特性是指在輸入信號Vb、負載電阻R、基極偏置電壓VBB不變的條件下，功率放大器的輸出隨電源電壓VCC變化關(guān)系[9]。

3.1 VCC對工作狀態(tài)的影響

當輸入信號Vb、負載電阻R、基極偏置電壓VBB不變時，隨VCC的增大，放大器的工作狀態(tài)從過壓區(qū)到臨界再進入欠壓區(qū)[2]。若負載電阻R設(shè)置為20 kΩ，保證放大器工作在過壓狀態(tài)。集電極電源電壓分別選擇2 V，12 V，20 V，對應(yīng)集電極電壓輸出波形如圖3所示。從輸出波形可以觀察到此時輸出波形的頻率不變，振幅隨VCC呈線性變化。

圖3 不同VCC對應(yīng)集電極電壓波形

3.2 集電極調(diào)幅電路

根據(jù)集電極的調(diào)制特性，可以實現(xiàn)集電極調(diào)幅，即將調(diào)制信號與直流電源VCC串聯(lián)，并保證放大器工作在過壓狀態(tài)，那么集電極回路輸出的高頻電壓振幅將隨調(diào)制信號的波形而變化，實現(xiàn)了調(diào)幅。仿真電路如圖4所示。調(diào)制信號為正弦波，頻率1 kHz，振幅取3 V，與VCC串聯(lián)。

通過示波器觀察諧振回路輸出波形為普通調(diào)幅波，如圖5所示，包絡(luò)變化與調(diào)制信號頻率相同、相位相反。調(diào)幅度可通過調(diào)整調(diào)制信號振幅實現(xiàn)。

圖4 集電極調(diào)幅電路

圖5 集電極調(diào)幅波形

4 基極調(diào)制特性

高頻功率放大器的基極調(diào)制特性是指在輸入信號Vb、負載電阻R、集電極偏置電壓VCC不變的條件下，功率放大器的輸出隨電源電壓VBB變化關(guān)系[9]。

4.1 VBB對工作狀態(tài)的影響

當輸入信號Vb、負載電阻R、集電極偏置電壓VCC不變時，隨VBB的增大，放大器的工作狀態(tài)從欠壓區(qū)到臨界再進入過壓區(qū)。VBB取值分別為0.05 V，0.07 V，0.1 V，0.3 V，對應(yīng)的集電極電壓輸出如圖6所示。

圖6 不同VBB對應(yīng)集電極電壓波形

從圖6所示輸出波形可以觀察到此時輸出波形頻率不變，振幅隨VBB成線性變化。當VBB超過0.6 V時，輸出電壓振幅基本不變，即已進入過壓狀態(tài)。

4.2 基極調(diào)幅電路

根據(jù)基極調(diào)制特性，可以實現(xiàn)基極調(diào)幅，即將調(diào)制

信號與直流電源VBB串聯(lián)，并保證放大器工作在欠壓狀態(tài)，那么集電極回路輸出的高頻電壓振幅將隨調(diào)制信號的變化而變化，于是得到調(diào)幅波輸出。

仿真電路如圖7所示。調(diào)制信號為正弦波，頻率20 kHz，振幅取40 mV，與VBB串聯(lián)。VBB取值為0.04 V，以保證放大器工作在欠壓狀態(tài)。為了使觀察效果明顯，激勵信號V4振幅調(diào)整為0.5 V。

圖7 基極調(diào)幅電路

通過示波器觀察諧振回路輸出波形為普通調(diào)幅波，如圖8所示。從圖中可看包絡(luò)變化與調(diào)制信號頻率相同、相位相同。由此可知調(diào)幅度可通過調(diào)整調(diào)制信號振幅實現(xiàn)。

5 結(jié)論

本文使用Multisim仿真軟件對高頻功率放大器的調(diào)制特性進行了仿真測試。仿真結(jié)果顯示了集電極調(diào)幅所需要的調(diào)制信號振幅較大，即此時需要大功率的調(diào)制信號源；而基極調(diào)幅所需調(diào)制信號振幅很小，此時所需調(diào)制功率很小。這也是兩種高電平調(diào)幅的主要區(qū)別。

與實驗箱測試相比，使用Multisim進行仿真測試不但鍛煉了學生的動手能力，還充分調(diào)動了學生的實驗積極性，加深了對理論知識的理解，提高了學生的創(chuàng)新主動性。

圖8 基極調(diào)幅波形

[1]曾興雯，劉乃安，陳健.高頻電路原理與分析[M].4版.西安：西安電子科技大學出版社，2006.

[2]張肅文.高頻電子線路[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]馬英.高頻電子線路實驗箱利弊的思考[J].實驗科學與技術(shù)，2007，5（2）：93?94.

[4]車曉巖，胡新艷.高頻電子線路實驗教學研究[J].價值工程，2014，33（8）：233?234.

[5]車曉巖，霍文曉.高頻電子線路實驗教學的初步探索[J].科技信息，2014（5）：135?137.

[6]任丹.基于Multisim的高頻功率放大器特性分析[J].遼東學院學報：自然科學版，2011，18（2）：114?117.

[7]朱高中.基于Multisim的高頻諧振功率放大器仿真實驗[J].實驗室研究與探索，2013（2）：92?94.

[8]鄭文.基于Multisim的高頻功率放大器仿真分析[J].實驗科學與技術(shù)，2014，12（1）：22?23.

[9]雄偉，侯傳教，梁青，等.Multisim 7電路設(shè)計及仿真應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社，2005.

Analysis for modulation characteristics of high?frequency power amplifier

HUO Wen?xiao，CHE Xiao?yan，HU Xin?yan
（College of Science and Information，Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，China）

High?frequency power amplifier is the important part of the transmitter in communication system.Its modulation characteristics are analyzed with Multisim in this paper.The result indicates that the modulation power for base modulation is less than that of collector modulation.This is consistent with theoretical analysis.The simulation analysis result is more visual and easier to understand than traditional experiment result.Simulation experiment can motivate student more than normal experiment.

high?frequency power amplifier；modulation characteristic；Multisim；simulation experiment

TN722?34

A

1004?373X（2015）03?0082?03

霍文曉（1980—），女，山東德州人，碩士研究生，講師。主要從事電子信息技術(shù)的教學與研究工作。

車曉巖（1979—），女，山東濰坊人，碩士研究生，講師。研究方向為電子線路及信號與信息處理。

2014?08?14

青島農(nóng)業(yè)大學實驗技術(shù)研究課題（SYJK13?28）

胡新艷（1977—），女，山東青島人，碩士研究生，講師。研究方向為信號與信息處理。