1、第四章 通信信号的发送第四章第四章 通信信号的发送通信信号的发送4.1 通信信号的功率放大通信信号的功率放大4.2 谐振功率放大器谐振功率放大器4.3 宽频带的功率合成宽频带的功率合成(非谐振高频功率放大器非谐振高频功率放大器)4.4 倍频器倍频器4.5 天线天线4.6 实训实训:高频谐振功率放大器的仿真与性能分析高频谐振功率放大器的仿真与性能分析第四章 通信信号的发送4.1 通信信号的功率放大通信信号的功率放大无论是广播通信,还是其它通信,发射机发射信号都需要有一定的功率。特别是传送 信号的距离越远,需要的发送功率越大。在高频电路中,为使待发送的高频信号获得足够 的功率,需要设置高频功率放大
2、器。第四章 通信信号的发送高频功率放大器有三个主要任务:输出足够的功率;具有高效率的功率转换;减小非线性失真。第四章 通信信号的发送高频功率放大器的输出功率是从电源供给功率中转换而来的,所以在满足功率输出要 求的同时,必须注意提高功率的转换效率。为了提高功率放大器的效率,通常选择放大元 件工作在丙类状态。在这种状态下,晶体管处于非线性工作区域,晶体管集电极电流通角 小于90。工作在丙类状态下的晶体管输出电流与输入信号之间存在着严重的非线性失真,在高频功率放大器中采用谐振选频负载方法来滤除非线性失真,以获得接近正弦波的输出 电压波形,这一类高频功率放大器通常称为窄带功率放大器或谐振功率放大器。窄
3、带信号 是指带宽远小于中心频率的信号。第四章 通信信号的发送在要求非线性失真很小的场合,高频功率放大器不宜采用丙类(或丁、戊类)工作状 态。为了不产生波形失真,就要采用甲类(前级)或乙类推挽(后级)工作状态。当高频功率 放大器侧重于获得不失真放大性能时,输出功率不足的缺陷可通过功率合成的办法来补 偿。对已调幅波进行功率放大时,通常选择本级高频功率放大器为乙类工作状态。这时,既可避免波形出现失真,又能输出一定的功率电平。第四章 通信信号的发送根据采用的负载不同,高频功率放大器可分为窄带功率放大器和宽带功率放大器两 类。窄带功率放大器以选频网络作负载,功率放大器可工作在丙类状态。宽带功率放大器 以
4、宽带传输线变压器作负载,它可解决窄带放大器难于迅速变换选频网的中心频率的问 题,宽带放大器的负载不具有滤除谐波的能力。功率放大器不论工作在哪一类状态,对谐波辐射这项指标来说,通常要求不论输出功 率多大,在距离发射机1km 处的谐波辐射功率不得大于25mW。第四章 通信信号的发送4.2 谐振功率放大器谐振功率放大器4.2.1 谐振功率放大器的基本工作原理谐振功率放大器的基本工作原理 1.工作原理工作原理 谐振功率放大器的原理电路如图4.1所示。第四章 通信信号的发送图4.1 谐振功率放大器的原理电路 第四章 通信信号的发送图4.1中要求晶体管发射结为零偏置或负偏置。这时电路在输入余弦信号电压ub
5、=Ubmcost的激励 下,晶体管基极和集电极电流为图4.2(c)、(d)所示 的余弦脉冲波形,其中是指一个信号周期内集电极 电流导通角2 的一半,称之为通角,出现范围在-2n-+2n。根据通角大小的不同,晶体 管工作状态可分为=180,为甲类工作状态=90,为乙类工作状态 90,为丙类工作状态第四章 通信信号的发送图4.2所示工作波形表示了功率放大器工作在丙类状态。在图4.2 谐振功率放大器各级电压和电流波形 第四章 通信信号的发送图4.1中,输出回路中用LC 谐振电路作选频网络。这时,谐振功率放大器的输出电压 接近余弦波电压,如图4.2(e)所示。由于晶体管工作在丙类状态,晶体管的集电极电
6、流iC是一个周期性的余弦脉冲,用傅氏级数展开iC,则得第四章 通信信号的发送2.电路的性能分析电路的性能分析 在工程上,对于工作频率不是很高的谐振功率放大器的分析与计算,通常采用准线性 折线分析法。准线性放大是指仅考虑集电极输出电流中的基波分量在负载两端产生输出电 压的放大作用。所谓折线法,是指用几条直线段来代替晶体管的实际特性曲线,然后用简 单的数学解析式写出它们的表示式。将器件的参数代入表示式中,就可进行电路的计算。折线法在分析谐振功率放大器工作状态时,物理概念清楚,方法简便,但其准确度比较差,不过作为工程近似估算已满足要求。第四章 通信信号的发送准线性折线分析法的条件如下:(1)忽略晶体
7、管的高频效应。在此条件下,可以认为功率晶体管在工作频率下只显示 非线性电阻特性,而不显示电抗效应。因此,可以近似认为,功率晶体管的静态伏安特性 就能代表它在工作频率下的特性。第四章 通信信号的发送(2)输入和输出回路具有理想滤波特性。在此条件下,在图4.1所示电路中,基极-发 射极间电压和集电极-发射极之间电压仍是余弦波形且相位相反,可写为:(3)晶体管的静态伏安特性可近似用折线表示。例如图4.3所示的晶体管转移特性就 采用了折线表示。图中Uon表示晶体管的起始导通电压。第四章 通信信号的发送1)余弦脉冲分解 图4.3所示是用晶体管折线化后的转移特性曲线绘出的丙类工作状态下的集电极电流 脉冲波
8、形,折线的斜率用G 表示。设输入信号为ub=Ubmcost,发射结电压为uBE=UBB+Ubm cost,晶体管折线化后 的转移特性为第四章 通信信号的发送第四章 通信信号的发送式(4-11)是集电极余弦脉冲电流的解析表达式,它取决于脉冲高度iCmax和通角。利用傅 里叶级数将iC 展开第四章 通信信号的发送求得上式中各次谐波分量 第四章 通信信号的发送式中,为余弦脉冲分解系数,其中,0 为直流分量分解系数,1 为基波分量分解系数,n 为n 次谐波分量分解系数。由式(4-13)、式(4-14)和式(4-15)可见,只要知道电流 脉冲的最大值iCmax和通角,就可以计算直流分量、基波分量以及各次
9、谐波分量。图4.4给 出了通角 与各分解系数的关系曲线。由图可清楚地看到各次谐波分量变化的趋势,谐波 次数越高,振幅就越小。因此,在谐振功率放大器中只需研究直流功率及基波功率。第四章 通信信号的发送图4.4-余弦脉冲分解系数与的关系曲线 第四章 通信信号的发送第四章 通信信号的发送2)通角的选择 下面从等幅波功率放大、调幅波功率放大、n 次谐波倍频这三种场合来讨论通角的 选择。(1)等幅波功率放大。谐振功率放大器最基本的运用是进行等幅波功率放大。为了兼 顾输出信号功率和效率的要求,在放大等幅波时,通常选择最佳通角为=6070,当=1时,c 可达 85%左右。第四章 通信信号的发送(2)调幅波功
10、率放大。当要对调幅波进行功率放大时,若将工作状态选为丙类,此时,集电极电流脉冲的基波分量幅度为 第四章 通信信号的发送(3)n 次谐波倍频。当谐振功率放大器的集电极回路调谐于n 次谐波时,输出回路就 对基频和其它非n 次谐波呈现较小阻抗,而对所要求的n 次谐波呈现很大的谐振电阻,输出回路就 对基频和其它非n 次谐波呈现较小阻抗,而对所要求的n 次谐波呈现很大的谐振电阻,角nRL 的匹配情况。第四章 通信信号的发送2)T 型匹配网络 图4.19(a)是 T 型匹配网络,其中两个串臂为同性电抗元件,并臂为异性电抗元件。为了求出 T 型匹配网络的元件参数,可以将它分成两个 L型网络,如图4.19(b
11、)所示。然 后利用 L型网络的计算公式,经整理便可最终得到计算公式。图(b)中的第二个 L型网络与图4.18(a)完全相同,因此,可以直接得到计算公式:第四章 通信信号的发送图(b)中的第一个 L型网络与图4.18(a)的网络是相反的,因此,可以将Ro 视为RL,即 假定两个串臂为同性电抗元件情况下,XP1和 XP2亦为同性电抗元件,总的 XP 可由 XP1与 XP2并联求出。第四章 通信信号的发送图4.19 T型网络的阻抗变换 第四章 通信信号的发送3)型匹配网络 型匹配网络如图4.20所示,分析过程也是将型网络分成两个基本的L型网络,如 图4.20(b)所示,然后按 L型网络进行求解。图4
12、.20 型网络的阻抗变换 第四章 通信信号的发送第四章 通信信号的发送Rs 是并联转换成串联的等效电阻。由式(4-23)求得 滤波型匹配网络已经广泛应用,实际放大的实现主要靠调整元件参数。第四章 通信信号的发送3.谐振功率放大器的调谐与调配谐振功率放大器的调谐与调配1)调谐 调谐是指将谐振功率放大器的负载回路调到谐振状态。前面已经分析过,谐振功率放 大器工作在谐振状态时,输出电压的最大值与激励电压的最小值同时出现,即二者间相位 差为180。集电极电流脉冲的最大值iCmax与集电极电压最小值uCEmin出现在同一时刻。因 此,功放管的损耗最小,输出功率和效率达到最大。放大器工作在谐振状态下的电压
13、和电 流波形以及其相位关系如图4.21(a)所示。第四章 通信信号的发送图4.21 谐振功率放大器在不同负载状态下的电压电流波形 第四章 通信信号的发送第四章 通信信号的发送3)调谐与调配的方法 在对放大器工作状态进行调整时,需要在电路内装入各种监测仪表。为了突出主要问 题,我们只考虑直接监测调谐和调配的仪表,如图4.22所示。第四章 通信信号的发送图4.22 调谐放大器调整电路 第四章 通信信号的发送接通电源后,要迅速调可变电容C1。同时观察电流表中Ic0的量值,直至Ic0读数最小,这说明回路已调到谐振状态。因为回路谐振时其电阻最大,放大器可能进入过压状态,集 电极电流iC 的脉冲凹陷加深,
14、所以Ic0呈现最小值。由于功率管工作在深饱和的过压状态,基极电流iB 达到最大,基极直流分量Ib0亦最大(这可由基极回路加电流表观测)。Ic0和Ib0 的变化如图4.23(a)所示。当回路调到谐振以后,再逐渐增大UCC值,直至达到额定的UCC 为止。第四章 通信信号的发送图4.23 谐振功率放大器的调谐与调配特性 第四章 通信信号的发送第四章 通信信号的发送4.谐振功率放大电路谐振功率放大电路(1)图4.24所示是一个工作频率为160 MHz的谐振功率放大电路。该电路输入端采 用C1、C2、L1 构成的 T 型输入匹配网络,它可将功率管的输入阻抗在工作频率上变换为 前级放大器所要求的50 匹配
15、电阻。L1 除了用以抵消功率管的输入电容作用外,还与 C1、C2 产生谐振。C1 用来调匹配,C2 用来调谐振。第四章 通信信号的发送图4.24-工作频率为160MHz的谐振功率放大电路 第四章 通信信号的发送(2)图4.25所示是一个工作频率为150MHz的谐振功率放大电路。其50 外接负载 提供3W 功率,功率增益达10dB。图中,基极采用由Rb 产生负值偏置电压的自给偏置电 路,Lb 为高频扼流圈,Cb 为滤波电容。集电极采用串馈电路,高频扼流圈Lc 和Rc、Cc1、Cc2、Cc3组成电源滤波网络。放大器的输入端采用由C1C3 和L1 构成的 T 型滤波匹配网 络,输出端采用由C4C8
16、和L2L5 构成的三级 型混合滤波匹配网络。第四章 通信信号的发送图4.25 工作频率为150MHz的谐振功率放大电路 第四章 通信信号的发送4.3 宽频带的功率合成宽频带的功率合成(非谐振高频功率放大器非谐振高频功率放大器)匹配网络由非谐振网络构成的放大器,称为非谐振功率放大器。非谐振匹配网络通常 有普通变压器和传输线变压器两种。所谓普通变压器,就是指利用耦合原理,通过铁芯中的公共磁通的作用,将初级线圈的能量传输给次级线圈的变压器。第四章 通信信号的发送4.3.1 传输线变压器传输线变压器 1.传输线变压器的工作原理传输线变压器的工作原理 1)传输线变压器的结构 将两根等长的导线(传输线)绕
17、在铁氧体的磁环上就构成了传输线变压器。所用导线可 以是扭绞双线、平行双线或同轴线等。磁环的直径视传输功率大小而定,传输功率愈大,磁环的直径愈大。一般15 W 的功率放大器,磁环直径为1015mm 即可。第四章 通信信号的发送图4.26(a)是 1 1 传输线变压器结构的示意图。图4.26(b)是传输线变压器的原理电路,信号电压从1、3端加入,经传输线变压器的传输,在2、4端把能量传到负载电阻RL 上。图4.26(c)是普 通变压器形式的电路,但与普通变压器又有区别。普通变压器负载电阻2、4两端可以与地 隔离,也可以任意一端接地。作为传输线变压器必须2、3(或1、4)两端接地,使输出电压 与输入
18、电压极性相反,因而是一个倒相变压器。第四章 通信信号的发送图4.26 1 1传输线变压器第四章 通信信号的发送 2)传输线变压器传输能量的特点 传输线变压器是将传输线的工作原理应用于变压器上,因此,它既有传输线的特点,又有变压器的特点。前者称为传输线模式,后者称为变压器模式。所谓传输线模式,是指 由两根导线传输能量。在低频时,两根传输线就是普通导线连接线。而在所传输信号是波 长可以和导线的长度相比拟的高频信号时,两根导线分布参数的影响不容忽视。由于两根 导线紧靠在一起,而又同时绕在一个磁芯上,所以导线间的分布电容和导线上的电感都是 很大的。它们分别称为分布电容和分布电感,如图4.27所示。第四
19、章 通信信号的发送图4.27 传输线在高频情况下的等效电路第四章 通信信号的发送对于传输线模式,在具有分布参数的电路中,能量的传播是靠电能和磁能互相转换实现的。如果认为C0 和L0 是理想分布参数,即忽略导线的欧姆损耗和导线间的介质损耗,则信号加入后,信号源的能量将全部被负载所吸收。这就是说,传输线间的分布电容非但 不会影响高频特性,反而是传播能量的条件,从而使传输线变压器的上限工作频率提高。现的。如果认为C0 和L0是理想分布参数,即忽略导线的欧姆损耗和导线间的介质损耗,则信号加入后,信号源的能量将全部被负载所吸收。这就是说,传输线间的分布电容非但 不会影响高频特性,反而是传播能量的条件,从
20、而使传输线变压器的上限工作频率提高。第四章 通信信号的发送从上述传输线变压器的工作原理,可以归纳出其基本特点是:(1)工作频带宽,频率覆盖系数可达10 4。而普通高频变压器上限频率只有几十兆赫,频率覆盖系数只有几百或几千。(2)通带的低频范围得到扩展,这是依靠高磁导 率 的 磁 芯 获 得 很 大 的 初 级 电 感 的 结果。(3)通带的上限频率不受磁芯上限频率的限制,因为对于高频它是以传输线的原理传输能量的。(4)大功率运用时,可以采用较小的磁环也不致使磁芯饱和和发热,因而减小了放大 器的体积。第四章 通信信号的发送 3)传输线变压器的主要参数 传输线变压器的主要参数有特性阻抗和插入损耗。
21、传输线变压器的参数用来表征传输 线变压器的固有特性,它与导线长度、介质材料、线径和磁芯形式等有关,而与其传输的 信号电平无关。第四章 通信信号的发送由传输线的理论可知,传输线的特性阻抗Zc 为式中,r 为传输线上单位长度的损耗电阻;L 为传输线上单位长度的分布电感;G 为传输 线上单位长度的线间电导;C 为传输线上单位长度的分布电容。第四章 通信信号的发送对于理想无耗或工作频率很高时的传输线,有rL,GC,则传输线的特性阻 抗为 第四章 通信信号的发送由于传输线变压器是在负载与放大器之间起匹配作用的网络,因此,该系统达到匹配时,传输线始端的电阻恒等于传输线的特性阻抗,且负载电阻与特性阻抗相等。
22、由传输线的分 析可知,当信号源内阻为Rs,负载电阻为RL 时,满足最佳功率传输条件的传输线特性阻 抗称为最佳特性阻抗,其值为当Rs 和RL 已知时,可根据上式求出传输线的最佳特性阻抗Zcopt。第四章 通信信号的发送产生插入损耗的主要原因是传输线终端电压和电流对于始端产生相移。我们知道,电 磁波自始端传到终端是需要一定时间的。终端电压、电流总要滞后于始端相应电压、电流 一个相位,这个相位与传输信号波长 及传输线距离l的关系为 第四章 通信信号的发送从式(4-36)可见,工作频率愈高和传输线愈长,相位差愈大。当l=/2时,=,这 说明终端电流与始端电流相位相反,产生全反射,负载上完全得不到功率,
23、插入损耗为无 穷大。随着l的减小,插入损耗减小。当l=0时,=0,表明终端电流相位与始端电流相 位相同,传输能量完全被负载所吸收,插入损耗趋于零。这是理想的匹配情况,实际不可 能是这样。因此,要求传输线距离尽可能短,一般规定,传输线长度取工作波段最短波长 的1/8或更短些。l也不能取的过短,因为l过短,将使初级绕组的电感量降低,低频的频率特性变坏。插入损耗LP与传输线相对长度的关 系如图4.28所示。第四章 通信信号的发送图4.28 传输线变压器的插入损耗第四章 通信信号的发送 2.传输线变压器的应用传输线变压器的应用传输线变压器作极性变换电路,就是1 1倒 相传输线变压器。为了说明它的极性变
24、换作用,我们把1 1倒相传输线变压器电路重新绘 于图4.29。其中图4.29(a)是等效为变压器的原理电路,图4.29(b)是等效为传输线的原理 电路。第四章 通信信号的发送图4.29 1 1倒相传输线变压器第四章 通信信号的发送 2)平衡和不平衡变换 图4.30是传输线变压器用作平衡与不平衡电路的互相变换。图4.30(a)是将平衡输入 电路变换为不平衡输出的电路,输入端两个信号源的电压和内阻均相等,分别接在地的两 旁,这种接法称为平衡。输出负载只有单端接地,称为不平衡。图4.30(b)是将不平衡输入 变为平衡输出的电路。第四章 通信信号的发送图4.30 平衡与不平衡的互相变换第四章 通信信号
25、的发送 3)阻抗变换 传输线变压器的第三个用途,是在输入端和输出端之间实现阻抗变换。由于传输线变 压器结构的限制,它不能像普通变压器那样,借助匝数比的改变来实现任何阻抗比的变 换,而只能完成某些特定阻抗比的变换,如4 1、9 1、16 1,或者 1 4、1 9、1 16,等等。所谓4 1,是指传输线变压器的输入电阻Ri 是负载电阻RL 的四倍,即Ri=4RL;而Ri=RL/4,则称为1 4的阻抗变换。图4.31(a)和(b)分别表示4 1和1 4的传输线 变压器阻抗变换电路,图(c)和(d)是与其相应的一般变压器形式的等效电路。第四章 通信信号的发送图4.31 4 1和1 4传输线变压器电路第
26、四章 通信信号的发送第四章 通信信号的发送第四章 通信信号的发送第四章 通信信号的发送为了说明传输线变压器在放大器中的应用,图4.32给出某高频宽带功率放大电路简 图。其中 T1、T2 和 T3 都是4 1的阻抗变换传输线变压器,T1 与 T2 串联,其总的阻抗变 比为16 1。第二级高输出电阻与天线的低阻(50)连接,用了4 1的传输线变压器阻抗 变换电路。为了改善放大器的频率特性,两级都加了负反馈电路,第一级的反馈电阻为R1 和R2;第二级的反馈电阻为R3 和R4。由于两级放大器都是电压并联负反馈,因此,除了 改善频率特性外,还有降低输出电阻的作用。第四章 通信信号的发送图4.32 高频宽
27、带功率放大电路第四章 通信信号的发送4.3.2 功率合成电功率合成电 1.传输线变压器在功率合成中的应用传输线变压器在功率合成中的应用 1)反相功率合成电路 利用传输线变压器组成的反相功率合成原理电路如图4.33所示。图中,T1为混合网 络,T2 为平衡-不平衡变换器;两个功率放大器 A 和B输出反相等值功率,提供等值反相 电流Ia 和Ib;通过电阻Rc 的电流为Ic,通过电阻Rd 的电流为Id。第四章 通信信号的发送图4.33 反相功率合成原理电路第四章 通信信号的发送第四章 通信信号的发送第四章 通信信号的发送第四章 通信信号的发送 2)同相功率合成电路 如图4.33所示,若两个功率放大器
28、 A 和 B输出同相等值功率,提供等值同相电流Ia 和Ib,则可称为同相功率合成电路。采用和上面类似方法可以证明,此时两功率放大器的 注入功率在C 端Rc 上合成,而在D 端电阻Rd 上无输出功率。后者所接电阻称为假负载 或平衡电阻。第四章 通信信号的发送 2.传输线变压器在功率分配中的应用传输线变压器在功率分配中的应用 下面举例说明分配器在共用天线系统中的应用。图4.34是电视接收机的共用天线系 统,简称 CATV 系统。最简单的共用天线系统,包括接收天线、混合器、放大器、分支器 和分配器等。天线接收各频道的电视信号,然后送入混合器,混合器的作用是将各频道的 电视信号进行混合,变为一路频分制
29、电视信号。放大器采用宽带放大器,用来补偿传输电 缆和各分支系统的衰减。分支器和分配器是一些简单的无源网络,它们的主要功能是阻抗 匹配和分配功率。第四章 通信信号的发送图4.34-分配器在共用天线系统中的应用第四章 通信信号的发送图4.35(a)是二分配器实际电路。它有一个输入端和两个输出端,使一路信号输入变 为二路信号输出,故称为二分配器。分配器由传输线变压器 T2 和负载电阻R1、R2 以及平衡电阻 Rd 组成。T1 是阻抗变换器,使分配器的输入阻抗与信号源的阻抗匹配。图4.35(b)是四分配器电路,它有一个输入端和四个输出端,工作原理与二分配器相 同,只是多了一重组合。理想情况下,每一个输
30、出端的功率应该是输入功率的1/4。四分配 器除了均等地分配功率和各路之间相互隔离外,还有阻抗匹配功能,即负载阻抗为75,输入阻抗也为75。各变压器变比除 T1为2 1外,都是1 2。第四章 通信信号的发送图4.35 功率二分配器和功率四分配器第四章 通信信号的发送4.4 倍倍 频频 器器倍频器是能将输入信号频率成整数倍增加的电路,如图4.36(a)所示。倍频器用在通 信电路中,采用倍频器的主要优点是:可降低主振器的频率,这样可稳定频率。扩展 发射机的波段。如果倍频器用在中间级,借助波段开关既可实现倍频又可完成放大。如图 4.36(b)所示,主振器的频率为24MHz,经过倍频器输出频率范围为48
31、 MHz。提 高调制度。对调频或调相发射机,利用倍频器可以加深调制度,从而获得大的相移或频偏。第四章 通信信号的发送常用的倍频器有两类:一类利用丙类放大器集电极电流脉冲的谐波来获得倍频,称为 丙类倍频器;另一类利用 PN 结结电容的非线性变化来实现倍频作用,称为参量倍频器。不论哪一种倍频器,它们都是利用器件的非线性对输入信号进行非线性变换,再从谐振系 统中取出n 次谐波分量而实现倍频作用的。当倍频次数较高时,一般都采用参量倍频器。第四章 通信信号的发送图4.36 倍频器框图及其应用 第四章 通信信号的发送4.4.1 丙类倍频器丙类倍频器 工作在丙类状态的放大器,晶体管集电极电流脉冲中含有丰富的
32、谐波分量,如果把集 电极谐振回路调谐在二次或三次谐波频率上,那么放大器只有二次谐波电压或三次谐波电 压输出,这样丙类放大器就成了二倍频或三倍频器。通常,丙类倍频器工作在欠压或临界 状态。第四章 通信信号的发送在这里需要指出的是:(1)集电极电流脉冲中包含的谐波分量幅度总是随着n 的增大而迅速减小。因此,倍 频次数过高,倍频器的输出功率和效率就会过低。(2)倍频器的输出谐振回路需要滤除高于n 和低于n 的各次分量。低于n 的分量幅度 比有用分量大,要将它们滤除较为困难。因此,倍频次数过高,对输出谐振回路提出的滤 波要求就会过高而难于实现。所以一般单级丙类倍频器取n=2,3。若要提高倍频次数,可
33、将倍频器级联起来使用。第四章 通信信号的发送图4.37所示为三倍频器,图中L3C3 为并联回路调谐在三次谐波频率上,用以获得三 倍频电压输出,而串联谐振回路L1C1、L2C2 分别调谐在基波和二次谐波频率上,与并联 回路L3C3相并联,从而可以有效地抑制它们的输出,故L1C1和L2C2 回路称为串联陷波 电路。第四章 通信信号的发送图4.37 带有陷波电路的三倍频器第四章 通信信号的发送4.4.2 参量倍频器参量倍频器 1.变容二极管的特性及原理变容二极管的特性及原理 PN 结结电容的大小可随外加在 PN 结上的电压的大小而变,利用这一特点制成的二 极管称为变容二极管。变容二极管的特性曲线如图
34、4.38(a)所示,图(a)反映变容二极管的结电容Cj 与外加反向偏置电压的关系,图4.38(b)是变容二极管的电路符号。第四章 通信信号的发送图4.38 变容二极管的特性及符号第四章 通信信号的发送变容管结电容Cj 与反向偏置电压绝对值之间的关系为式中,Cj0为u=0时的结电容;UD 为 PN 结势垒电位差,硅管UD=0.40.6V;为变容 指数,对突变结 值接近1/2,缓变结 值接近1/3,超突变结 值在1/26范围内(它主 要用在调频电路中)。第四章 通信信号的发送变容二极管的等效电路如图4.39(a)所示。图中Cj 是结电容,rj 是PN 结的反向电阻,rs 是串联电阻。通常rj 很大
35、可以忽略,这时变容二极管的等效电路可简化为图4.39(b)。图4.39 变容二极管的等效电路第四章 通信信号的发送第四章 通信信号的发送如图4.40(b)所示,若在变容管两端加上反向偏压UQ 及正弦波电压Umsint后,变容 管结电容Cj 随交流电压变化的波形如图4.40(c)所示。由图可见,它们之间不是线性关系。流过变容管结电容Cj 的电流与电容量、电压的关系为第四章 通信信号的发送上式的曲线如图4.40(d)所示。将图4.40(c)和(d)所示曲线相乘,可得变容管输出电流波 形如图4.40(e)所示。可见,输出不再是正弦波形,而是呈歪斜形状的非正弦波形,它含有 许多谐波分量,可达到倍频目的
36、。第四章 通信信号的发送图4.40 变容管在正弦电压作用下的电流波形第四章 通信信号的发送2.变容管倍频器变容管倍频器 变容管倍频器可分为并联型和串联型两种基本形式,如图4.41所示。其中,图(a)是 并联型电路(变容管、信号源和负载三者相并联),图(b)是串联型电路(变容管、信号源和 负载三者相串联)。图中FI 和Fn 为分别调谐于基波和n 次谐波的理想带通滤波器。第四章 通信信号的发送图4.41 变容管倍频器原理图 第四章 通信信号的发送4.5 天天 线线 信号经发射机调制成高频电流能量,经馈线送至发射天线。发射天线将该能量转换为 向空间传播的电磁波,并按它指定的方向经过一定方式的传播之后
37、,在接收端用接收天线 再将信号接收下来。接收天线与发射天线的作用是一个可逆过程,因此,同一天线用作发射和用作接收的 性能(包括方向性、阻抗特性及其它电指标)是相同的。性能良好的天线可以改善信号分布,增大信噪比,降低比特率,克服覆盖范围内的薄弱环节,甚至可以降低发射功耗。第四章 通信信号的发送天线的分类方法很多:按用途可分为通信天线、广播天线、雷达天线等;按使用波段 可分为长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线和微波天线等;按天线特性来分类,例 如从方向性的角度分为强方向性天线和弱方向性天线,从工作频率可分为宽频带和窄频带 天线,从极化形式可分为线极化或圆极化天线等;按工作原理可分为驻波天线、
38、行波天线 等;按结构形状又可分为线式天线和面式天线。无论哪一种天线,它们都是由基本类型天 线组成的,比较复杂的天线则是简单类型天线的组合。第四章 通信信号的发送4.5.1 对称天线、对称天线、单极天线单极天线 1.对称天线对称天线 对称天线是应用非常广泛的一种天线。它在通信、雷达等无线电设备中既可作单元天 线使用,又可作面式天线的馈源或阵列天线的单元。对称天线结构如图4.42所示,它是由 两段等长度和等粗细的直导线构成的,天线每臂的长度为l,天线导线的半径用 表示。由 于对称天线有两个臂,因而对称天线也可称为偶极天线。第四章 通信信号的发送偶极天线通常是由天线中心点的传输线来馈电的。在工作波长
39、的半波长处产生谐振,阻抗为72。由于导线截面大小、天线末端边缘和附近物体产生的效应,实际的偶极谐振 波长比理论波长要短3%5%左右。如图4.42所示,是一个垂直偶极天线辐射图。要看 水平偶极天线辐射图时,将垂直图与方位图互换即可。第四章 通信信号的发送图4.42 偶极天线示意图 第四章 通信信号的发送2.单极天线单极天线 当对称天线的一个臂变为平面时,就形成单极天线。在天线工程中最常见的单极天线形式如图4.43所示。当平面为无限大的理想导电平面时,可用镜像法来分析天线。实践证 明,当这平面的径向距离大于半个波长时,就可认为接近无限大平面的作用。单极天线的 型式较多,从长、中波的铁塔天线到超短波
40、的鞭形天线都属于这一类型。第四章 通信信号的发送图4.43 单极天线示意图 第四章 通信信号的发送单极天线是一种垂直偶极天线。它的长度为1/4波长,阻抗是36。需要注意的是,天线下方的导电地平面不理想或不稳定时,与理论上的圆形方向图相比,实际方位方向图 由于受安装和使用因素的影响,可能并非圆形,辐射仰角也是接地平面位置和地面以上天 线高度的函数。第四章 通信信号的发送4.5.2 抛物面天线、抛物面天线、微带天线微带天线 1.抛物面天线抛物面天线 抛物面天线具有类似光学系统的性能,如图4.44所示。由几何光学证明,一束平行的 射线入射到一个几何形状为抛物面的反射器上时,它们将被会聚到抛物面的焦点
41、F 上。反 之,如果把一个点源放在焦点上,则经过抛物面反射的射线将形成平行的射线。利用抛物 面的这一特点构成了抛物面天线。用抛物反射面作为主体构成的抛物面天线,具有良好的 电气特性,在微波中继通信、卫星通信和射电天文等方面,都得到广泛的应用。第四章 通信信号的发送图4.44-抛物面天线的光学性能 第四章 通信信号的发送2.微带天线微带天线 微带天线具有很多其它天线没有的特点。其优点是尺寸小、重量轻、价格低廉,尤其 是由于它具有很小的剖面高度,及允许附着于任何金属物体表面,最适宜于某些高速运行 物体,如在飞机、火箭、导弹上使用,因而近年来愈来愈受到人们的重视。但是,绝大多数微带天线都具有一个较大
42、的缺点,即工作频带很窄。微带天线单元作为独立的天线使用 时,它们的工作频带宽度都只有1%3%。第四章 通信信号的发送微带天线的基本结构如图4.45(a)所示。在损耗和厚度都很小的介质基片两侧,分别 敷设接地板和导体贴片,就构成基本的微带天线。介质基片的厚度通常只有1或几个毫米。微带天线可以用微带传输线馈电,也可以用同轴线馈电。当采用同轴线馈电时,同轴 线的内导体从接地板后面穿入,与导体贴片相接,而外导体与接地板相连,如图4.45(b)所示。第四章 通信信号的发送图4.45 微带天线的基本结构 第四章 通信信号的发送4.6 实训实训:高频谐振功率放大器的仿真与性能分析高频谐振功率放大器的仿真与性
43、能分析范例范例:观察输出波形及功率放大器的三种状态观察输出波形及功率放大器的三种状态 步骤步骤 绘出电路图(1)请建立一个项目CH3,然后绘出如图4.46的电路图。其中信号源 V1用 VSIN,变 压器 T1用 XFRM_LINEAR元件。第四章 通信信号的发送(2)设置 T1参数:双击 T1打开 PropertyEditor窗口,将 COUPLING(互感)设定为 0.99;L1_VALVE设置为0.01m,L2_VALVE设置为0.5m,为两线圈的电感量。(3)将图4.46中的其它元件编号和参数按图中设置。注意:图中 A、B、C是各测试点 的编号(选择菜单 PlaceNetAlias,用于
44、设置各点编号)。第四章 通信信号的发送图4.46 高频谐振功率放大器 第四章 通信信号的发送步骤二步骤二 瞬态分析(1)创建瞬态分析仿真配置文件,设定瞬态分析参数:Runtotime(仿真运行时间)设 置为8s,Startsavingdataafter(开始存储数据时间)设置为2s,Maximumstepsize(最 大时间增量)设置为1ns。第四章 通信信号的发送(2)启动仿真,观察晶体管集电极电流波形。设定输入信号 V1的峰值电压 VAMPL为200mV,启动仿真。在波形窗口中选择 TraceAddTrace打开 AddTrace对话框。请在窗口下方的 TraceExpression栏处用
45、鼠标选择或直接由键盘输入字符串“I(Q1:C)”。再用鼠标点“OK”按钮退出 AddTrace窗口。这时的波形窗口出现高频谐振功率放大器集电极电流波形(余 弦尖脉冲),如图4.47所示。从图中可以看出高频谐振功率放大器工作在欠压状态。第四章 通信信号的发送图4.47 高频谐振功率放大器集电极电流波形 第四章 通信信号的发送 增大输入信号 V1的峰值电压,再次观察集电极电流波形。将输入信号 V1的峰值电压设定为230mV。观察集电极电流波形(波形出现凹陷),如图4.48所示。从图中可以看出高频谐振功率放大器工作在过压状态。继续增大输入信号 V1的峰值电压,再次观察集电极电流波形。第四章 通信信号
46、的发送图4.48 工作在过压状态时的集电极电流波形 第四章 通信信号的发送(3)启动仿真观察功率放大器负载上的电压波形。设定输入信号 V1的峰值电压 VAMPL为200mV,启动仿真。在波形窗口中选择 TraceAddTrace打开 AddTrace对话框。请在窗口下方的 TraceExpression栏处用鼠标选择或直接由键盘输入字符串“V(C)”。再用鼠标选“OK”按 钮退出 AddTrace窗口。这时的波形窗口出现高频谐振功率放大器负载上的电压波形,如 图4.49所示。第四章 通信信号的发送图4.49 谐振功率放大器负载上的电压波形 第四章 通信信号的发送 增大输入信号 V1,设定输入信
47、号 V1峰值电压为230mV,再次观察负载上的电压 波形,如图4.50所示。图4.50 工作在过压状态时负载上的电压波形 第四章 通信信号的发送步骤三步骤三 交流分析(1)创建交流分析仿真配置文件,设置交流分析参数:选择 LogarithmicDecade,设 置StartFrequency(仿真起始频率)为1kHz,EndFrequency(仿真终止频率)为200MHz,设置 PointsDecade(十倍频程扫描记录)20点。第四章 通信信号的发送(2)启动仿真,观察瞬态分析输出波形。设定输入信号 V1的 AC源为200mV,启动仿真。在波形窗口中选择 TraceAddTrace打开 AddTrace对话框。请在窗口下方的 TraceExpression栏处用鼠标选择或直接由键盘输入字符串“V(C)”。再用鼠标选“OK”按钮退出 AddTrace窗口。这时波形窗口出现高频谐振功率放大器的幅频特性曲线,如图 4.51所示。第四章 通信信号的发送图4.51 高频谐振功率放大器的幅频特性曲线
