调频发射机设计11

1【摘要】本文主要讨论了调频发射机的原理实现方式并设计了电路图，将调频发射机的电路分为了振荡器、缓冲隔离、功率激励、及末级功放几部分，分别讨论它们的原理及其特性。其中振荡器采用LC调频振荡器，缓冲隔离级电路常采用射极跟随器电路，功率激励级为末级功放提供激励功率，末级功放采用丙类功率放大器。【关键词】调频发射，振荡器，高频功率放大器【引言】调频发射机作为一种简单的通信工具，由于它不需要中转站和地面交换机站支持，就可以进行有效的移动通信，因此深受人们的欢迎。目前它广泛的用于生产、保安、野外工程等领域的小范围移动通信工程中。本课题重点在于设计能给发射机电路提供稳定频率的振荡调制电路。课题首先用两级电压并联负反馈放大电路，适当放大语音信号，以配合调制级工作；然后用石英晶体构成振荡电路为发射机提供稳定的基准频率载波，接着通过变容二极管完成语音信号对载波信号的频率调制，并通过LC并联谐振网络选出三倍频信号；最终利用两级功率放大，使已调制信号功率大大提高，经过串联滤波网络滤除高次谐波，最后通过拉杆天线发射出去。通过后续的电路仿真和部分电路的调试，可以证明本课题的电路基本成熟，基本能完成语音信号的电压放大、频率调制和功率放大，达到发射距离的要求。发射机的主要任务是完成有用的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电磁波。通常，发射机包括三个部分：高频部分，低频部分，和电源部分。高频部分一般包括主振荡器、缓冲放大、倍频器、中间放大、功放推动级与末级功放。主振器的作用是产生频率稳定的载波。为了提高频率稳定性，主振级往往采用石英晶体振荡器，并在它后面加上缓冲级，以削弱后级对主振器的影响。低频部分包括话筒、低频电压放大级、低频功率放大级与末级低频功率放大级。低频信号通过逐渐放大，在末级功放处获得所需的功率电平，以便对高频末级功率放大器进行调制。因此，末级低频功率放大级也叫调制器。调制是将要传送的信息装载到某一高频振荡(载频)信号上去的过程。所以末级高频功率放大级则成为受调放大器。21设计目的设计一个采用直接调频方式实现的工作电压为12V、输出功率在500mW以上、工作频率为5MHz的无线调频发射机，可用于语音信号的无线传输、对讲机中的发射电路等。设计的技术指标与要求:1工作电压：Vcc=+12V；2(天线)负载电阻：RL=51欧；3发射功率：Po≥500mW；4工作中心频率：f0=5MHz；5最大频偏：kHzfm10；6总效率：%50A；7频率稳定度：小时/10/400ff；8调制灵敏度SF≥30KHZ/V；2设计框图与分析2.1总设计方框图与调幅电路相比,调幅系统由于高频振荡输出振幅不变,因而具有较强的抗干扰能力与效率.所以在无线通信、广播电视、遥控测量等方面有广泛的应用。拟定整机方框图的一般原则是，在满足技术指标要求的前提下，应力求电路简单、性能稳定可靠。单元电路级数尽可能少，以减少级间的相互感应、干扰和自激。由于本题要求的发射功率Po不大，工作中心频率f0也不高，因此晶体管的参量影响及电路的分布参数的影响不会很大，整机电路可以设计得简单些，各组成变容二极管直接调频电路调制信号调频信号载波信号图2-1变容二极管直接调频电路组成方框图3部分的作用是：(1)LC调频振荡器：产生频率f0=5MHz的高频振荡信号，变容二极管线性调频，最大频偏kHzfm10，整个发射机的频率稳定度由该级决定。(2)缓冲隔离级：将振荡级与功放级隔离，以减小功放级对振荡级的影响。因为功放级输出信号较大，当其工作状态发生变化时（如谐振阻抗变化），会影响振荡器的频率稳定度，使波形产生失真或减小振荡器的输出电压。整机设计时，为减小级间相互影响，通常在中间插入缓冲隔离级。缓冲隔离级电路常采用射极跟随器电路。(3)功率激励级：为末级功放提供激励功率。如果发射功率不大，且振荡级的输出能够满足末级功放的输入要求，功率激励级可以省去。(4)末级功放：将前级送来的信号进行功率放大，使负载（天线）上获得满足要求的发射功率。若整机效率要求不高如%50A而对波形失真要求较小时，可以采用甲类功率放大器。但是本题要求%50A，故选用丙类功率放大器较好。3设计原理图实际的无线调频发射机电路如图3-1所示。V43DG130R14C12ZL2C11CTT2RL51+12vN1N2V33DA1R13R12R11C10T1N3N4N5C9R交负V23DG100R10R9R8Rw2V1R1R2R3R4L1CjR6R7R5ZL1C8C4C5C1C2C3C7C6in图3-1无线调频发射电路4考虑到频率稳定度的因素，调频电路采用克拉泼振荡器和变容二极管直接调频电路。电路的工作原理是：利用调制信号控制变容二极管的结电容，改变振荡器振荡回路的总电容，从而使调频振荡器输出信号的频率随调制信号的变化而变化，即实现调频。调频后的信号经过缓冲隔离、宽放和功放后通过天线发射出去。4设计性能分析4.1发射功率发射功率指发射机发射到天线上的功率。只有当天线的长度与发射信号的波长相比拟时，天线才能有效地把信号发射出去。波长与频率f的关系是fc/式中，c为电磁波传播速度，c=3*108m/s。若接收机的灵敏度VA=2uV，则通信距离s与发射功率Po间的关系为40}{07.1mWPs当发射功率为大于500mW时通信距离为5.08Km以上。4.2工作频率发射机的工作频率应根据调制方式，在国家有关部门规定的范围内选取。对于调频发射机，工作频段一般选择在超短波范围内。4.3总效率发射机发射的总功率PO其所消耗的总功率PT比，称为发射机的总功率，用A表示。4.4调制灵敏度S是单位调制信号电压所引起的最大频偏，其值越大，说明调制信号控制作用越强，产生频偏越大。5电路参数的计算与元件选择整机电路的实际计算顺序一般是从末级单元电路开始，向前逐级进行。而电路的组装和调试顺序一般是从前级单元电路开始向后级逐级进行。5.1增益分配与功率放大器的设计发射机的输出应具有一定的功率才能将信号发射出去，但是功率增益又不可能集中在末级功放，否则电路性能不稳，容易产生自激。因此要根据发射机的各5组成部分的作用，适当地合理地分配功率增益。如果调频振荡器的输出比较稳定，又具有一定的功率，则功率激励级和末级功放的功率增益可适当小些。功率激励级一般采用高频宽带放大器，末级功放可采用丙类谐振功率放大器。缓冲级可以不分配功率。仅从输出功率Po≥500mW一项指标来看，可以采用宽带功放或乙类、丙类功放。由于还要求总效率大于50%，故采用一级宽带放大器加一级丙类功放实现，其电路形式如图5-1所示。V43DA1R14C12ZL2C11CTT2RL51+12vN1N2V33DG13030R13R12R11C10T1N3N4N5inC9R½»¸º图5-1功率激励与末级功放电路5.1.1丙类功率放大器(末级功放)设计1、基本关系式如图5-1所示，丙类功率放大器的基极偏置电压-VBE是利用发射机电流的分量Ie0在射极电阻R14上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。当放大器的输入信号Vi为正弦波时，集电极的输出电流iC为余弦脉冲波。利用谐振回路LC的选频作用可输出基波谐振电压uc、电流iC1。(1)集电极基波电压的振幅Ucm=Icm1RP式中，Icm1为集电极基波电流的振幅；RP为集电极负载阻抗。(2)输出功率Po6Po=Ucm.Icm1=Ucm2/(2RP)(3)直流功率PvPv=Vcc.Ic0(4)集电极耗散功率PTPT=Pv-Po(5)集电极的效率ηη=Po/Pv(6)集电极电流分解系数α(θ)αn(θ)=Icmn/icmmax(7)导通角θbmBBonUVUcos（θ一般取oo8060）2、确定丙类放大器的工作状态为了获得较高的效率η和最大的输出功率Po，选丙类放大器的工作状态为临界状态，θ=700，功放管为3DA1。3DA1的参数如表5-1所示。表5-13DA1参数表PCMICMVCEShfefTAP1W750mA≥1.5V≥10≥70MHz13dB(1)最佳匹配负载25.110pR25.1105.0*2)5.112(2)(22PoVVRCESccp(2)由Po=0.5Ucm.Icm1=Ucm2/(2RP)可得：集电极最大输出电压Ucm=10.5V(3)集电极基波电流振幅：Icm1=95.24mA(4)集电极电流最大值Icm=Icm1/α1(700)=95.24/0.44=216.45mA(5)集电极电流直流分量Ic0=Icm*α0(700)=216.45*0.25=54.11mA(6)电源供给的直流功率Pv=Vcc*Ic0=649.35mW(7)集电极的耗散功率PT=Pv-Po=649.35-500=149.35mW(小于PCM=1W)(8)总效率η=Po/Pv=500/649.35=77.00%(9)输入功率Pi=25mW若设本级功率增益Ap=13dB(20倍)，则输入功率Pi=Po/Ap=25mW7(10)基极余弦脉冲电流的最大值Ibm(设晶体管3DA1的β=10)Ibm=Icm/β=21.45mA(11)基极基波电流的振幅Ibm1=Ibmα1(700)=21.45*0.44=9.44mA(12)基极电流直流分量Ib0=Ibmα0(700)=21.45*0.25=5.36mA(13)基极输入电压的振幅Ubm=2Pi/Ibm1=5.30V(14)丙类功放的输入阻抗8644.0*)70cos1(25)()cos1(01'bbirZ3、计算谐振回路及耦合回路的参数（1）输出变压器线圈匝数比N5/N3(解决最佳匹配负载问题)68.011051235pLLoRRUcmRPNN取N5=2，N3=3。（2）谐振回路电容C11=100pF（3）谐振回路电感LuHCfL1010*100*)10*5*14.3*2(1)2(112261120(4)输出变压器初级线圈总匝数比N=N3+N4高频变压器及高频电感的磁芯应采用镍锌(NXO)铁氧体，而不能采用硅钢铁芯，因其在高频工作时铁损耗过大。NXO-100环形铁氧体作高频变压器磁芯时，工作频率可达十几兆赫兹。若采用外径*内径*高度=Φ10mm*Φ6mm*Φ5mm的NXO-100环来绕制输出耦合变压器，由公式HNlALcmcmmH322/210*}{}{}{4式中，=100H/m为磁导率；N为变压器初级线圈匝数；A=25mm2为磁芯截面积；l=25mm为平均磁路长度。计算得N=8，则N4=5或eRLWNNL058则9225110528.650NeRLWNLe取值2~10，上述公式取2。需要指出的是，变压器的匝数N3、N4、N5的计算值只能作为参考值，由于分布参数的影响，与设计值可能相差较大。为调整方便，通常采用磁芯位置可调节的高频变压器。4、基极偏置电路(1)发射极电阻R14由公式bmBBonUVUcos可得VUUVobmonBB1.170cos3.57.0cosVIIVceBB1.1RR14014033.20R14取标称值20R14(2)高频旁路电容C12=0.01uF。(3)高频扼流圈ZL2=47uH。(4)可变电容CT=(5~20)pF。5、元件清单CT=(5~20)pFZL2=47uH20R14C12=0.01uFC11=100pFuHL10N3=5，N4=3,N5=2、3DA1管子5.1.2宽带功率放大器(功率激励级)设计功率激励级功放管为3DG130。3DG130的参数如表5-2所示。表5-23DG130参数表PCMICMVCEShfefTAP700mW300mA≤0.6V≥30≥150MHz13dB91、计算电路参数(1)有效输出功率PH与输出电阻RH宽带功率放大器的输出功率PH应等于下级丙类功放的输入功率Pi=25mW，其输出负载RH等于丙类功放的输入的输入阻抗|Zi|=86Ω。即PH=25mWRH=