调频发射系统的改进与设计

卢鹰

(津市职业中专学校，湖南 常德 415400)

调频发射系统的改进与设计

卢鹰

(津市职业中专学校，湖南 常德 415400)

文章通过对调频发射系统进行分析研究，发现存在输出功率和效率较低，致使发射距离受限的问题，因而对其进行改进。主要从发射系统中功率放大器这一环节出发进行改进。在相对输出波形不失真的前提下，采用D类高频功率放大器来提高输出功率，从而达到提高发射系统的发射距离的目的。

调频;发射系统;D类高频功率放大器

一、引 言

随着电子线路技术的不断发展，各种调频发射系统都有了较多的改进和设计。针对发射系统的各个环节，比如振荡电路的设计，调制器的选用，倍频或混频电路的合理搭配，以及各种高效率放大器的改进，都作了比较深的研究，然而，在各种发射系统的改进中，大多数都采用C类功率放大器，经过比较，虽然C类功率放大器比A类，B类，AB类的效率都要高，但是，它们的效率还是还是不足以使发射系统实行超远距离的发射，因而在实际应用中受到限制，如何有效解决这一问题成为一个重要研究课题。针对D类功率放大器瞬时功耗小的有关特点，笔者将其应用到调频发射系统，并通过multisim7仿真实验，发现其效率理论值可达到100%，典型值也达到90%以上。可见，这一类改进和设计能够有效提高输出功率、改善发射系统性能，这对于扩大调频发射系统在电子设备的应用范围，意义重大。

二、本设计中运用的工具multisim7简介

multisim7是加拿大 Interactive Image Technologies公司新推出的一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件，是EWB的升级版。又名“全能仿真”。它用软件的方法模拟电子线路元器件和仪器仪表，实现了“软件即元器件”和“软件即仪器”，不仅可以大大减少实际环境中的干扰，提高工作效率，还能保存仿真工程所产生的大量数据和图形，为高频电子线路整体分析与改进提供了一条捷径。

本文主要利用此软件的仿真结果来验证电路的可靠性。

1.Multisim7的特点

Multisim7的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、信号发生器、双通道示波器、直流电源;还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图示仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真度测量仪、频谱分析仪和网络分析仪等。为电子线路的仿真提供了更多的虚拟仪器。

Multisim7具有较详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域分析、期间的线性和非线性分析、电路的噪声和失真分析、离散傅立叶分析、电路

零极点分析、交直流灵敏度分析等，以帮助设计人员分析电路的性能。

2.Multisim7软件进行仿真分析的基本步骤

创建仿真电原理图→电路图选项的设置→使用仿真仪器→设定仿真分析方法→启动miltisim7仿真。

三、调频发射系统简介

发射系统的系统框图如图1：

图1 发射系统框图

发射机的任务是完成有用低频信号对高频载波的调制，将其变为在某一中心频率上具有一定带宽，适合通过天线发射的有足够辐射功率的电磁波。

在该系统中，音频放大器输出的低频信号控制高频载波振荡器的某些参数，从而实现调制。若调制输出的已调信号的频率不够高，则可根据需要进行倍频或上变频，以达到信道频率要求。若已调信号的输出幅度不够高，则可根据需要进行若干级(通常有预放，激励和输出三级)放大，若要求得到高保真且能传输远距离的信号，则需要有效率高的功率放大器，然后经天线辐射出去。

四、调频发射系统的改进与设计

在前面介绍了调频发射系统的各个环节，它们在各部分都发挥着重大的作用，是必不可少的。在不影响其它性能指标的前提下，对各部分电路的设计也都有了比较成熟的产品。比如，对远距离的调频发射器，振荡环节都采用频率稳定的石英晶体振荡器，有利于高频信号的传输;调制器大都采用工作频率高，固有损耗小且线路简单，能获得较大频偏的变容二极管进行调制。这些指标即使改进电路对发射距离也没有明显的提高。然而，如果提高输出功率却能大大提高发射距离，也是最有效的途径，这主要体现在高频功率放大这一环节。高频功率放大器过去虽然都采用C类放大，但其效率仍然比较低，不利于远距离的发射，因此对我们的改进和设计提出了新的要求。下面将介绍D类放大电路的输出功率和效率对发射系统的影响。

1.功能及指标

调制信号的有用信息由高频载波信号携带传输发射，一般情况下，高频振荡器所产生的高频振荡信号的功率很小，不能满足发射机天线对发射功率的要求，并且增大发射功率也是提高发射距离最有效的途径之一。在以往的功率放大器的设计中，主要是以C类放大器为主，因为其相对输出功率和效率比较大。

功率放大电路的主要要求是获得一定的不失真(或失真很小)的输出功率，需要考虑以下指标：

(1)要求输出功率尽可能大：机要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此器件往往在接近极限运用状态下工作。

(2)效率要求更高：要求输出功率大，则在相同的直流电源下，要求功耗尽可能小，即要求负载得到的有用信号功率与电源供给的直流功率的比值越高，效率则越高。

(3)非线性失真要求尽量小：同一功放管输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。失真度是发射系统最重要的性能指标之一。

(4)要求功率器件的散热低：在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上，使结温和管壳温度升高，为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，需要尽可能减少管子的散热。

2.D类功率放大器

(1)原理分析

D类功率放大器是用音频信号的幅度去线性调制高频脉冲的宽度，功率输出管工作

在高频开关状态，通过LC低通滤波器后输出音频信号。由于输出管工作在开关状态，故具有极高的效率。理论上为100%，实际电路也可达到80%～95%，因此D类功率放大器属于开关式电路，有电压开关型和电流开关型两种基本电路，先采用电压开关型电路。

图2 H桥式电路原理图

①两组晶体管采用BJT三极管，则：晶体三极管需要较大的驱动电流，并存在储存时间，开关特性不够好，使整个功放的静态损耗及开关过程中的损耗较大。不利于减小管耗。

②采用VMOSEET管：由于VMOSEET管具有较小的驱动电流、低导通电阻及良好的开关特性，能大大减小功率在管子中的损耗，这也是区别于其他线性功率放大器的最重要特点。所以在实际电路中我们采用VMOSEET管。

输入的模拟低频信号经过第一部分的脉宽调制(PWM)，形成高低电平形式的数字信号，然后加到由两个特性配对的同型功率管VT1和VT2形成的功率放大部分的输入端，两个功率管经过比较器的比较分别工作，这是第二部分。第三部分是低通滤波器后接负载。

(2)电路改进及分析

第一部分：脉宽调制信号。该部分由比较器和三角波发生器的集成电路组成的将音频信号调制成周期不变，但占空比变化的产生脉宽调制信号的电路。各部分的功能清晰，实现灵活，便于调试。若合理的选择器件参数，可使其能在较低的电压下工作。

第二部分：功率放大信号。

图2中采用H桥电路，其电流电压原理可参考文献。其中A1，A2为一组，当脉宽调制信号为高电平时导通，低电平时截止，而B1，B2为另一组，通断情况与A1，A2相反，这两组功率管相当于一个开关，在不同的时间段工作，可以分析出，两组功率管导通和截止的转换时间决定了其输出波形的好坏，以及管耗的多少，即要求第一部分产生的脉宽调制信号的高低电平的过渡时间越短越好。

若调制后的激励信号为w的矩形脉冲信号，且其幅值足够大，足以使u为高电平时A1，A2饱和导通，输出波形，如下图3(b)，B1，B2饱和截止;u为低电平时B1，B2饱和导通，输出波形，如下图3(c)，A1，A2饱和截止。

由图可以看出，每个时刻都有电流流过负载Rl，如下图3 (d)。实际上，流过负载RL的电流i1是由上下两管饱和导通时的电流合成的，因而，当u为高电平时A1，A2饱和导通，有电流i1，但由于其饱和压降近似为零，使A1，A2的功耗也近似为零，此时B1，B2截止，电流i2为零，B1，B2的功耗也为零。同理，B1，B2在低电平导通时，A1，A2由于截至功耗也为零。可见，尽管每管饱和导通时的电流很大，但相应的管压降很小，这样，每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高，理想情况下可达到100%。

第三部分：低通滤波器

该滤波电路是一个通带较平坦的双极型巴特沃思滤波器。原理图中的L1=L2，C1=C2=C3，电感与电容分别构成滤波器，RL是负载。双极型滤波器的对称性与第二部分的H桥电路的对称性相对应，以改善滤波效果。

图3 电流原理波形图

(3)输出功率及效率分析

由于u是矩形方波，用傅立叶级数展开后可求得其基波分量的振幅为，在振荡器回路Q值较高且谐振于角频率w时，A1，A2管的电流i1(或B1，B2管的电流i2)的直流分量为

上式积分的上限为T/2，是因为A1，A2，B1，B2只在半个周期内有电流通过。

电源供给的支流功率PD=2EcID，将上式代入，可得

效率η=PO/PD，代入以上两式，可得η=100%

实际上，晶体管的饱和压降不可能为零，又考虑到管子结电容，电路分布电容的影响，从而使 D类功放的效率小于100%。［6］257

利用multisim软件对电路进行仿真：

实际图为：

图4 D 类 功率 放大器 仿真 电路

图中采用的是阻抗小的MOS管，所需要的电流小，并且开关特性也很强。然后采用了双极型巴特沃思滤波器，减小得到波形的失真度。

A通道为第一部分由比较器等集成电路产生的调制矩形脉冲;B通道为经过对称的MOS管D类功率放大器放大后，在负载上得到的高频放大信号。从电路图中可以看到，所加的直流电压为5V，而得到的波形峰峰值达到了30V，功率得到放大，并且此波形失真度也较小。

当然，单从D类放大这一环节来看，其频率响应是不够理想的，但采用H桥式的D类功率放大，得到的信号的频率响应足以适合多种电子设备的功能应用。

五、结束语

发射系统的各个环节对其性能都起着决定性的作用，而高频功率放大器的改进能提高效率，减小功耗，提高输出功率，从而增大发射距离，改善整个发射系统。采用数字式的D类功率放大器来代替惯用的C类功率放大器，并通过滤波器得到失真较小的信号，可使发射系统性能大为改善。

然而，因为输出功率与失真度是相互矛盾的，所以此类功放管由于提高输出功率而增大了失真度。怎样在高输出功率的情况下得到高保真的信号，这是我们该进一步需要改进和设计的地方。

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Improved and Design the FM Transmission Systems JingShi Vocational Secondary School

LU Ying
(Jinshi Vocational Secondary School，Changde 415400，Hunan)

Based on the analysis of FM(Frequency modulation)transmitter system，Found that the lower output power and lower efficiency Limited transmission distance.It Indicate that From the PA in the launch system，under the relatively undistorted output waveform，use the Class D high－frequency power amplifier to increase the output power，Improve the transmission distance of Launch system.

frequency modulation;launch system

TN852

A

1671－5004(2010)03－0021－03

2010－04－26

卢 鹰 (1973－)，男，湖南津市人，津市职业中专副校长。