谐振功率放大器实验教学

金伟正， 陶 琴， 杨光义

(武汉大学 电子信息学院， 湖北 武汉 430079)

谐振功率放大器实验教学

金伟正， 陶 琴， 杨光义

(武汉大学 电子信息学院， 湖北 武汉 430079)

本文介绍一种新型的谐振功率放大器实验方案，实验涉及到高频振荡器、甲、乙类谐振放大器、丙类倍频器以及丙类谐振功率放大器。实验教学表明，该电路实验效果良好, 学生通过本实验可以较为全面地理解和掌握高频谐振功率放大器全部知识点，并为今后进行高频电路设计打下良好的基础。

谐振功率放大；高频；倍频；级间匹配

0 引言

“高频电子线路”是电子信息、通信类等专业本科生的主干基础课程, 高频谐振功率放大器是“高频电子线路”课程教学中的重点、难点[1,2]。高频谐振功率放大器一般用于发射机的末级电路，是发射机电路的主要组成部分。高频谐振功率放大器的电能消耗往往占到整机耗电量的绝大部分，所以功率放大器工作状态的优劣以及工作效率的高低就相当重要。

本文介绍了一种新型的高频谐振功率放大器实验方案，该实验方案几乎涉及到“高频电子线路”课程的全部内容，包括振荡器、甲、乙类谐振放大器、丙类倍频器以及丙类谐振功率放大器。实验教学表明，该实验效果良好, 学生通过本实验可以全面地理解和掌握高频谐振功率放大器全部知识点，并为今后进行设计工作打下良好的基础。

1 原理介绍

凡是采用谐振选频网络作为输出负载的功率放大器统称为谐振放大器，其中又分为甲类、乙类和丙类三种常用类型。图1是放大器工作在三种不同状态时的输入、输出波形。从图中可明显地看出三种工作状态特点。甲类放大器工作状态具有所需输入信号幅度小、输出信号不失真等优点，但工作效率较低。乙类、丙类放大器工作状态虽然工作效率较高，但是存在着输出信号失真大、所需输入信号幅度大等缺点。从工作效率来讲，由于丙类谐振功率放大器电压导通角较小，所以丙类工作状态是三种放大器中效率最高的。而作为发射末级功率放大电路，功耗和效率是主要问题，因此人们往往更注重电路的工作效率[3，4]。为了更好地提高效率，发射机的高频末级功率放大器一般均会采用丙类工作方式。而高频发射电路的激励级一般采用乙类放大电路。

图1 放大器工作在三种状态下的工作波形

2 总体设计

实验电路主要由五级单元电路组成。图2为实验电路的系统框图，图3为实验电路图。从图中可以看出，电路主要由三部分组成。

图2 谐振功率放大器实验电路框图

第一部分是信号产生电路，由6 MHz正弦波振荡器和甲类高频谐振放大器组成。它的作用主要是为下一级提供频率为6 MHz幅值较大的载波激励信号。第二部分是倍频电路，由一个典型的丙类二倍频器组成。 它的作用主要是将振荡级的信号进行二倍频，完成信号从6 MHz到12 MHz的变换。第三部分是功率放大电路，由激励级(乙类高频谐振放大器)、末级(丙类高频谐振功率放大器)两级电路组成。激励级负责将前级送来的高频信号进行电压放大，使放大后的幅度满足末级电路对输入高频电压的要求。功率放大电路是测试点最多的一级电路，各测试点主要测试激励级的基极激励电压波形(J6)、集电极电压波形(J7)、末级集电极电流波形(J8)、放大器输出电压波形(J9)及放大器输出负载电阻值切换开关状态(K2)。

图3示出全部电路图，分为(a)(b)两部分，实际电路中J6_0和J6_1是同一点。

(a)振荡放大及倍频电路图

(b)两级谐振功率放大器及输出级电路图图3 谐振功率放大器实验电路图

3 实验内容及测试结果

实验内容包括振荡器、倍频器、谐振功放器的特性统调[5]；谐振功率放大器的负载特性、放大特性、调制特性(包括集电极调制特性和基极调制特性)的测试以及谐振放大器输出功率与工作效率的测量。由于篇幅的限制，本文仅给出谐振功率放大器负载特性的详细测试方法，其他功能电路仅给出实测的波形及定性分析。

3.1 振荡器及倍频器测试

振荡电路由6 MHz的晶体振荡器组成。它的主要作用是产生振荡信号，为后级电路提供输入信号。实验过程中，可以在J1端检测到如图4所示的振荡信号，可以看出，晶体振荡器产生的信号频率稳定在6 MHz，幅度较为理想。

甲类谐振放大电路由BG2和外围元件组成，它负责将振荡器送来的正弦波信号电压放大到一定幅度，以满足后级需要。实验过程中，在J3可以检测到如图5所示的波形。经过甲类放大器，信号波形有了明显的放大，由于选频网络的存在，信号波形比振荡输出级的信号更为稳定。如果观察到的信号的频率不是很理想，可以通过调节L13以及B2的值，改变回路的谐振频率，使电路谐振于6 MHz。

图4 振荡电路的测试波形 图5甲类谐振放大电路的测试波形

倍频电路由BG3和LC选频电路组成。倍频管工作在丙类状态，负责将BG2送来的6 MHz信号频率进行二倍频处理。实验过程中可以在J5观察到如图6(b)所示的二倍频器的输出波形。显然，与其输入波形图6(a)相比，输出信号的频率为12 MHz，幅度有明显的增大。由于经过倍频后，基波与二次谐波会叠加在一起，故得到的波形并不是标准的12 MHz的正弦波信号。所以，在下一级设计了选频网络。如果观察到的信号的频率不是很理想，可以通过调节C11以及B1的值，改变回路的谐振频率，使电路谐振于12 MHz。

(a) 丙类倍频器输入波形 (b)丙类倍频器输出波形图6 丙类倍频器电路的测试结果

3.2 乙类高频谐振放大器测试

乙类高频谐振放大器作为激励级由BG4和外围元件组成。它工作在乙类状态。它的主要作用是为末级功放管基极提供较强的高频功率信号。实验过程中可以在J7观察到如图7(b)所示的输出波形。显然，与图7(a)的输入波形相比，信号的幅值有明显的增大。可以通过调节电位器RW1改变注入的输入信号以控制推动丙类放大器的电压。如果观察到的信号的频率不是很理想，可以通过调节C13以及B3的值，改变回路的谐振频率，使电路谐振于12 MHz。

(a)输入波形 (b)输出波形图7 乙类高频谐振功率放大器电路的测试结果

3.3 丙类高频谐振功率放大器测试

谐振功率放大器主要由BG5和输出滤波电路及负载组成。BG5工作在丙类状态，它的主要作用是提高电路工作效率，输出尽可能大的高频功率信号。

选频输出与输出阻抗网络级由L5、L6、C14和负载电阻组成[6]。它主要完成从信号中选出所需的频率，经过阻抗匹配后送往负载电阻或发射天线[7]。以100 欧姆负载为例，可以在功率管输出端J8检测到如图8所示的波形。此时，信号波形频率稳定，振荡幅度很大。同时，可以在J9端检测到输出到负载上的波形，如图9所示。

图8丙类高频功率管输出端的测试波形 图9 输出负载上的测试波形

3.4 负载特性测试与分析

当负载回路谐振时， 改变负载电阻的大小，可以得到负载特性[8,9]。保持功率管的基极输入信号为2 V /12 MHz，改变谐振功放的负载电阻，用示波器观察负载两端的输出电压，记录在表1中。根据表1绘制负载电阻-输出电压/输出功率曲线，如图10所示。

表1 丙类高频谐振功率放大器负载特性测试表

图10 负载电阻-输出电压/输出功率曲线

分析图10可知，随着负载电阻R的增加，放大器由欠压状态经过临界状态最后进入过压状态，相应的集电极电流脉冲变为凹陷的脉冲波。在欠压区，R由小增大，输出电压和输出功率随R近似线性增大；在临界区达到最大；在过压区，随着R增大，输出电压有小幅度减小，同时输出功率也减小。测试的负载特性与文献[1]的理论分析完全一致。

4 结语

本文介绍的谐振功率放大器实验方案涵盖“高频电子线路”教学的全部内容，覆盖的知识面广，它不仅满足了高频电子线路对功放实验的要求，还拓展了学生动手能力的发挥空间，值得推广。本实验应用于我校“高频电子线路”的课程实验取得了非常好的效果。同时，获得在东南大学举办的第二届电工电子基础课程实验教学案例二等奖。

[1] 张肃文.高频电子线路 第五版[M].北京:高等教育出版社，2009.

[2] 董尚斌,代永红,金伟正等.电子线路II[M].北京:清华大学出版社，2013.

[3] 谢沅清,通信电子线路[M].北京:科学出版社，2006.

[4] 董建杰，陈可中，肖桂平等.高频功率放大器最佳导通角的理论定义与控制[J].北京：现代电子技术.2007.01:170-172.

[5] 金伟正.高频电子线路实验指导书[M].武汉大学电子信息学院,2013.

[6] 吴艳玲.高频谐振功率放大器设计[J].上海：电子制作，2013,11:11.

[7] C.H.Li,X.H.Gao.Design and Implementation of Narrow-Band High Frequency Resonantor[C]//International Conference on Computer Information Systems and Industrial Applications. Atlantis Press,2015,18:244-246.

[8] Wai-Kai Chen.Theory and Design of Broadband Matching Networks[J].Franklin Institute,1989,Issue 5:737-747.

[9] 张凤山，栗田禾.高频丙类功放实验常见问题及对应方法[J].北京：实验室科学，2013,4,47-49.

The Teaching of the Resonance Power Amplifier Experiment

JIN Wei-zheng, TAO Qin, YANG Guang-yi

(SchoolofElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

A new type of high frequency resonance power amplifier experiment scheme, which involves all of the high frequency resonance amplifier design including the oscillator, classA,B resonance amplifier, class C frequency multiplier, and class C resonance power amplifier circuit, is introduced in this paper. The experiment teaching shows that these circuits can work well, though which can help students deeply understanding and grasping whole contents of the high frequency resonance power amplifier, and make a firm foundation for the future.

resonance power amplifier, high frequency, frequency multiplier, interstage matching

2016-02-29;

2016-04-26

武汉大学设备处开放实验项目，(项目号WHU-2016-KFSY-3)

金伟正(1966-)，男，副教授，博士，主要从事无线电通信、数字信号处理教学和科研工作，E-mail: jwz@eis.whu.edu.cn

TM 933.1

A

1008-0686(2017)01-0109-04