对调频发射机功放输出回路阻抗匹配问题的探讨

范会雨

【摘要】对调频发射机而言，输出的阻抗越低，则说明电路可输出的电流值越大，其负载能力越强，频率特性越良好，由此可见，对发射机输出阻抗匹配相关问题进行研究很有必要。在具体研究过程中，文章首先对调频发射机的原理进行说明，分析了发射机推动板、输出电路系统运行原理，其次研究了微带线特性，最后对阻抗匹配进行了计算，明确具体计算要点。希望文中所分析内容可为行业有关人员提供理论参考，促使有关阻抗匹配的研究朝向深入化方向发展。

【关键词】阻抗匹配;功放输出回路;调频发射机

中图分类号：TN929                    文献标识码：A                    DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.20.002

随着新型电子技术的发展，数字调频发射机逐渐取代模拟调配发射机，在现代化通信领域中得到广泛应用。其主要应用优势是无需中转站支持，提高了移动通信效率。一般情况下，发射机分为三个部分，分别是高频、低频与电源，为确保各部分性能达到最佳，相关人员需要对调频发射机功放输出回路阻抗匹配问题进行研究，并结合发射机的原理，选择科学的设计思路，充分考虑阻抗匹配合理性问题，确保设计方案完成后，可最大程度满足调频发射机升级完善要求。

1. 调频发射机原理

1.1 运行原理

调频发射机强调利用无线方式，对广播电台所制作音乐、语音类节目进行发射及传播。其运行原理如下：第一步，对高频载波、音频信号进行调制，使其成为相应调频波，保证高频载波实际频率可随着音频信号的调整而变化。第二步，在放大高频信号的基础上，对其做激励和功放处理，待阻抗匹配操作结束，向天线输出相应信号，由天线负责对信号进行发送。现阶段，获得高频信号的方法有两个，分别是PLL以及频率合成。

根据使用场合对发射机类别进行划分，可得到专业发射机、业余发射机两类。广播电台和其他要求音质的场合所采用发射机均为专业发射机，一般场合只需对非专业发射机加以应用即可。如果将广播方式作为分类依据，应将其划分成单声道、立体声两类。若以电路原理为依据，可将现有调频发射机分为模拟发射机、数字发射机，其中，模拟发射机的作用主要是对模拟信号进行接收，对信号进行限幅、放大，对立体声进行编码等工作均为模拟开展，强调依托PLL和VCO对载频信号进行生成，在此基础上，利用模拟所得复合信号完成调制变容二极管的相关工作。基于模拟发生及所研发数字发射机，现已逐渐取代了模拟发射机的地位，对二者进行区分的依据主要是判断发射机是否对DDS与DSP相结合的技术进行了应用。数字发射机强调对音频至射频的各个环节做数字化处理，基于DSP对音频信号进行接收及处理，另外，立体声编码和信号模拟环节所依托主体，同样为DSP，基于DSP完成DDS的控制工作，使调制过程表现出更为理想的数字化水平。一般来说，在对离散调频波进行D/A转换之后，通常可獲得常规调频波，此时，再利用放大器对调频波功率进行放大即可。

1.2 电路介绍

本文所讨论放大电路的放大管内阻是0.2Ω，该放大管所输出电阻可达50Ω。电路正常运行频率往往在103MHz～107MHz间，电路输出原理可用图1进行表示：

在图1中，输出电路的运行频率f的取值是105，单位是MHz。电路工作波长可达2.86m左右，介电常数的取值约为3.9。对介质波长进行计算的公式为：

利用L1对λ/4微带线进行表示，该微带线的长度在36cm左右。综合考虑各参数可知，上述输出电路可被归为B类电路。

2. 微带线特性分析

微带线是指以介质基片为载体，通过支设单一导体带的方式所形成微波传输线，现阶段，微带线主要被用来对微波集成电路对应传输线进行制作。相较于传统的金属波导，其优势主要体现在可靠、成本低廉、体积较小以及可对频带宽加以使用方面，当然，微带线的不足也十分明显，例如，功率容量较小，日常运行的损耗量偏大。上世纪60年代，随着微波半导体、低损耗材料的持续发展，微波集成电路被应用在诸多领域，这也为微带线的推广提供了支持，随着数十年的完善，微带线类型变得更加多元，大部分微带线的制造工艺均为薄膜工艺，以微波损耗偏低且介电常数理想的材料为介质基片首选材料，配合稳定可靠且导电性能佳的导体，打造可使自身优势得到充分发挥的微带线。

图1的A点C18代表交流信号存在短路情况，结合阻抗圆图相关理论可知，D点λ/4供电微带线对应阻抗是无穷大，这表明λ/4供电微带线给高频信号所产生影响可以忽略不计。通过测量可知，电路板真实厚度是1.8mm，而微带线的净宽度为2mm，带管子引脚的宽度为8mm。

微带线宽和电路板厚的比值≥1，由此可见，对微带线实际阻抗进行计算的公式应为：

在上述公式中，h代表电路板厚，取值是1.8，W代表带管子引脚的微带线宽，取值是8。对特性阻Zc抗进行计算的结构是30Ω，对介电常数εe进行计算的结果是3.33。如果将微带线宽设为净宽，将取值改为2mm，则特性阻抗的取值是70Ω，介电常数的取值为2.87。结合计算结果可知，对微带线的高频电路而言，不同的微带线宽，通常对应不同的特性阻抗和介电常数，除特殊情况外，宽度越窄的微带线拥有越大的特性阻抗，其介电常数往往较小。

3. 阻抗匹配计算要点

对阻抗匹配加以应用的主体为传输线，其作用主要是确保高频微波信号均可被快速且准确的传递到对应负载点，通过切断信号向来源点反射所依托途径的方式，使能源效益得到显著提升。无论是信号源内容、传输线实际特性阻抗的相位以及大小一致，还是特性阻抗以及负载阻抗的相位、大小一致，均表明传输线所处状态为阻抗匹配。要想实现阻抗匹配，通常要在负载与对应源之间新增无源网络，无源网络的作用，主要是保证负载、对应源阻抗处于共轭匹配状态。对调频发射机而言，实现阻抗匹配的目的可被归纳如下：首先是保证源、器件还有负载间所存在传输功率为最大功率。其次是通过LNA前级匹配的方式，使接收机所表现出灵敏度最大程度接近预期。再次是对放大器进行优化，使其输出功率以及增益达到理想水平。最后是对馈线所损耗功率加以控制。

在工作状态下，f的取值为105，单位是MHz。研究人员计划先用容抗值替代电容值，各参数取值如下：XC2=-j3.8Ω;Xc3=-j14.7Ω;Xc4=-j46Ω;Xc5=-j14Ω;XC6=-J152Ω。另外，负载Z0的取值为50Ω。

若并联XC6和Z0，对Z輸出a进行计算所得结果为45.12-j14.8。串联XC5和Z输出a，计算所得结果为45.12Ω-j28.8Ω，利用Z输出b进行表示。并联XC4和Z输出b，将计算所得结果设为Z输出c，则可得出Z输出c的取值为13Ω-j26.36Ω。基于阻抗圆图相关理论，科学规划L4右侧阻抗可得：

将L4长度设为0.07m，则L4线段规划结果为：

在阻抗圆图对点a位置进行确定，沿顺时针方向推进可得点b，点a及点b所在位置如图2所示。

点b所对应规划阻抗的取值是0.17-j0.05，对规划阻抗进行反规划处理，L4左侧阻抗取值变为12Ω-j3.5Ω。对C3和Z输出c进行串联，利用Z输出c对计算结果进行表示，其取值为5.46Ω-j6.42Ω。随后，研究人员结合阻抗圆图对L3左侧电抗进行计算，结果为5.6Ω+j7Ω，用Z输出d进行表示。在综合考虑上文所提及各取值可知，L1左侧电抗的取值应为1.4Ω+j5Ω。由此可见，输入端处于阻抗匹配的状态，则传输线功率最大，如果输出端满足阻抗匹配要求，表明对应传输线仅有流向终端的电流波以及电压波存在，同时，其所携带能量将被负载尽数吸收。

4. 研究结论分析

通过计算可知，场效应管内阻的最大值为0.2Ω，随后，研究人员利用电路分析法得出“阻抗值和内阻值不等”的结论。但要注意一点，二者取值不等并不代表二者不匹配，这是因为该输出电路为B类电路，其特点是阻抗取值为无穷，因此，可匹配该电路输出阻抗的取值范围应当是≥1.5+j5Ω。

5. 结论

综上，文章对数字调频发射机功放输出回路总的阻抗匹配问题进行研究，明确了调频发射机的工作原理和微带线特性，并对阻抗匹配进行了有效计算。通过分析和计算，为相关人员完成阻抗匹配提供理论参考。本次研究不仅对阻抗值、内阻值进行了合理匹配，还对具体的输出电路和输出回路进行了分析，在此基础上，设计良好的阻抗匹配方案。

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