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第3章 通信信号的发送.ppt

第3章 通信信号的发送

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2011-05-09 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第3章 通信信号的发送ppt》,可适用于高等教育领域

第章通信信号的发送第章通信信号的发送通信信号的功率放大谐振功率放大器宽频带的功率合成(非谐振高频功率放大器)倍频器天线实训:高频谐振功率放大器的仿真与性能分析通信信号的功率放大通信信号的功率放大高频功率放大器有三个主要任务:①输出足够的功率②具有高效率的功率转换③减小非线性失真。谐振功率放大器谐振功率放大器谐振功率放大器的基本工作原理工作原理谐振功率放大器的原理电路如图所示。图谐振功率放大器的原理电路θ=°为甲类工作状态θ=°为乙类工作状态θ<°为丙类工作状态图所示工作波形表示了功率放大器工作在丙类状态。在丙类工作状态下uBE=UBBUbmcosωt较小且uBE>Uon时才有集电极电流流过故集电极耗散功率小、效率高。图中输出回路中用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(e)所示。由于晶体管工作在丙类状态晶体管的集电极电流iC是一个周期性的余弦脉冲用傅氏级数展开iC则得 iC=IcIcmcosωtIcmcosωt…Icnmcosnωt(―)图谐振功率放大器各级电压和电流波形电路的性能分析准线性折线分析法的条件如下:()忽略晶体管的高频效应。()输入和输出回路具有理想滤波特性。uBE=UBBUbmcosωt(―)uCE=UCCUcmcosωt(―)()晶体管的静态伏安特性可近似用折线表示。图晶体管折线化后的转移特性曲线及ic电流)余弦脉冲分解图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形折线的斜率用G表示。设输入信号为ub=Ubmcosωt发射结电压为uBE=UBBUbmcosωt,晶体管折线化后的转移特性为(―)将uBE=UBBUbmcosωt代入上式可得iC=G(UBBUbmcosωtUon)(―)由图可得当ωt=θ时iC=,代入式(―)可求得 =G(UBBUbmcosθU)(―)(―)(―) 式(―)减式(―)得iC=GUbm(cosωtcosθ)(―)当ωt=时,将iC=iCmax代入式(―)可得 iCmax=GUbm(cosθ)(―) 式(―)与式(―)相比可得 (―)式(―)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和导通角θ。利用傅里叶级数将iC展开(―)求得上式中各次谐波分量(―)(―)(―)图余弦脉冲分解系数放大器的输出功率Po等于集电极电流基波分量在有载谐振电阻RP上的功率即(―)集电极直流电源供给功率PDC等于集电极电流直流分量与UCC的乘积(―)放大器集电极效率等于输出功率与直流电源供给功率之比即(―)由式(―)可求得不同工作状态下放大器效率分别为:甲类工作状态θ=°g(θ)=ηc=乙类工作状态θ=°g(θ)=ηc=丙类工作状态θ=°g(θ)=ηc=)导通角的选择()等幅波功率放大。()调幅波功率放大。Ic=iCmaxα(θ)=GUbm(cosθ)α(θ)()n次谐波倍频。谐振功率放大器的工作状态分析谐振功率放大器的动态线当放大器工作在谐振状态时由图可得电路的外部关系uBE=UBBUbmcosωtuCE=UCCUcmcosωt由上两式可得 (―)将式(―)代入式(―)得动态线方程式(―)令uCE=UCC时iC=Gc(UBBUon)为图中的Q点再令iC=时为图中的B点。图谐振功率放大器图谐振动率放大器的动态线和集电极iC电流波形谐振功率放大器的动态负载电阻Rc可用动态线斜率的倒数求得:(―)谐振功率放大器的三种工作状态)欠压状态)临界状态)过压状态图三种工作状态RP、UCC、Ubm、UBB变化对工作状态的影响)RP变化对工作状态的影响图RP变化时的iC波形图谐振功率放大器的负载特性由图可以得到以下结论:()在欠压工作状态下()在临界工作状态下()在过压工作状态下(―))UCC变化对工作状态的影响)Ubm变化对工作状态的影响)UBB变化对工作状态的影响图VCC变化对工作状态的影响图Ubm变化对工作状态的影响图UBB变化对工作状态的影响谐振功率放大器电路谐振功率放大器的管外电路由两部分组成:直流馈电电路部分和滤波匹配网络部分。直流馈电电路图集电极馈电电路图基极馈电电路图自给偏置电路滤波匹配网络功率放大器通过耦合电路与前后级连接。这种耦合电路叫匹配网络如图所示对它提出如下要求:()匹配:使外接负载阻抗与放大器所需的最佳负载电阻相匹配以保证放大器输出功率最大。()滤波:滤除不需要的各次谐波分量选出所需的基波成分。()效率:要求匹配网络本身的损耗尽可能小即匹配网络的传输效率要高。图滤波匹配网络在电路中的位置根据等效原理由于图(a)、(b)的端导纳相等即 由上式可以得到从串联转换为并联阻抗的公式即(―)式中,QT为两个网络的品质因数其值为(―)图串并联阻抗变换)L型匹配网络图(a)是L型匹配网络其串臂为感抗Xs并臂为容抗XPRL是负载电阻。Xs和RL是串联支路根据串并联阻抗变换原理可以将Xs和RL变为并联元件X′P和RP如图(b)所示。图L型网络的阻抗变换令XPX′P=即电抗部分抵消回路两端呈现(―)由式(―)求出QT再代入式(―)便可求出L型网络各元件参数的计算公式(图中的RL相当于式(―)中的Rs):2)T型匹配网络图(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(b)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。RP=RL(QT)(―)(―)图T型网络的阻抗变换图(b)中的第一个L型网络与图(a)的网络是相反的因此可以将Ro视为RL即(―)(―)3)Π型匹配网络Π型匹配网络如图所示分析过程也是将Π型网络分成两个基本的L型网络如图(b)所示然后按L型网络进行求解。图Π型网络的阻抗变换式中(―)(―)Rs是并联转换成串联的等效电阻。由式(―)求得谐振功率放大器的调谐与调配谐振功率放大器在设计组装之后还需要进行调整以达到预期的输出功率和效率。谐振功率放大器的调整包括调谐与调配下面分别进行讨论。)调谐)调配)调谐与调配的方法图谐振功率放大器在不同负载状态下的电压电流波形图调谐放大器调整电路图谐振功率放大器的调谐与调配特性谐振功率放大电路()图所示是一个工作频率为MHz的谐振功率放大电路。图工作频率为MHz的谐振功率放大电路()图所示是一个工作频率为MHz的谐振功率放大电路。其Ω外接负载提供3W功率功率增益达dB。图工作频率为MHz的谐振功率放大电路宽频带的功率合成(非谐振高频功率放大器)宽频带的功率合成(非谐振高频功率放大器)传输线变压器传输线变压器的工作原理)传输线变压器的结构)传输线变压器传输能量的特点图:传输线变压器图传输线在高频情况下的等效电路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:()工作频带宽频率覆盖系数可达。()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。()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。()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。)传输线变压器的主要参数由传输线的理论可知传输线的特性阻抗Zc为(―)对于理想无耗或工作频率很高时的传输线有R<<ωLG<<ωC则传输线的特性阻抗为(―)最佳特性阻抗其值为(―)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的结果。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-个相位φ这个相位与传输信号波长λ及传输线距离l的关系为(―)式中,称为相移常数。图传输线变压器的插入损耗传输线变压器的应用)极性变换传输线变压器作极性变换电路就是:倒相传输线变压器。图:倒相传输线变压器)平衡和不平衡的互相变换如图是传输线变压器用作平衡与不平衡电路的互相变换。图平衡与不平衡的互相变换图平衡与不平衡的互相变换)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。由于传输线变压器的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:、:、6:或者:4、:、:等等。图:和:传输线变压器电路对于4:的阻抗变换电路而言如果设负载电阻RL上的电压为U则传输线终端和始端的电压均为U因此信号源端的电压为2U。当信号源提供的电流为I时则通过RL的电流为2I于是负载电阻RL为(―)从信号源向传输线变压器看去的输入电阻为(―)传输线的特性阻抗为(―)图(b)和(d)分别表示:4传输线变压器的传输线形式和变压器形式。设流过负载电阻RL的电流为I信号源提供的电流为2I由图(d)可见负载电阻RL上的电压为2U即UL=2U。负载电阻为从信号源向传输线变压器看去的输入电阻为(―)(―)从而实现:4的阻抗变换。传输线变压器的特性阻抗为(―)根据相同的原理可以利用多组:传输线变压器组成:、6:或:、:6等电路并求出输入电阻、特性阻抗与负载电阻RL的关系。可以证明若:传输线变压器组数为n则由它组成的阻抗变换电路的特性阻抗和输入电阻分别为 Zc=(n)RL(―)Ri=(n)RL(―)对于变比小于的阻抗变换电路特性阻抗和输入电阻的一般公式为(―)(―)图宽带高频功率放大电路功率合成电路 传输线变压器在功率合成中的应用)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所示。图反相功率合成原理电路由图可知通过T两绕组的电流为I因有A端I=Ia-IdB端I=Id-Ib所以IaId=Id-Ib可得Id=(IaIb)(―)及I=(Ia-Ib)(―)相应写出C端电流Ic由图可知 Ic=I 根据式(―)还有Ic=IaIb如果满足Ia=Ib时就会有Ic=0则在C端无输出功率。这时还会有(参照式(―)) Id=Ia=Ib若在电阻Rd上的电压为Ud显然为Ud=IdRd传输线变压器T为:平衡-不平衡变换器因此在DD′之间电压亦为Ud由电压环路ADD′B可得则两个功率放大器注入的功率为每-个功率放大器的等效负载RL为如果取Rd=4Rc则当某一功率放大器(例如B)出现故障或者Ia≠Ib时A端电压为因此功率放大器A的等效负载仍等于)同相功率合成电路如图所示若两个功率放大器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。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。图分配器在共用天线系统中的应用图功率二分配器和功率四分配器图功率二分配器和功率四分配器倍频器倍频器倍频器是能将输入信号频率成整数倍增加的电路如图(a)所示。倍频器用在通信电路中采用倍频器的主要优点是:①可降低主振器的频率这样可稳定频率。②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。图倍频器框图及其应用丙类倍频器在这里需要指出的是:()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。()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。图带有陷波电路的三倍频器参量倍频器变容二极管的特性及原理变容管结电容Cj与反向偏置电压绝对值之间的关系为图变容二极管的特性及符号图变容二极管的等效电路变容管的品质因数定义为(―)一般变容管的品质因数定义在零偏压条件下。变容管的截止频率fc定义在Q值为时的频率(―)流过变容管结电容Cj的电流与电容量、电压的关系为图变容管在正弦电压作用下的电流波形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,如图所示。图(a)的工作原理是:由信号源产生频率为fI的正弦电流iI通过FI和变容管。图(b)的工作原理是:信号源产生的基波激励电流iI通过变容管在Cj上产生各次谐波的电压其中n次谐波电压产生的n次谐波电流in通过负载RL因此倍频器输出端有n次谐波信号输出。串联倍频器适用于n>3以上的高次倍频。图变容管倍频器原理图天线天线对称天线、单极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α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。图偶极天线示意图(a)垂直偶极天线(b)方位辐射图(c)垂直面辐射图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所示。图抛物面天线光学的性能抛物面天线、微带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所示。微带天线微带天线具有很多其它天线没有的特点。图微带天线的基本结构实训:高频谐振功率放大器的仿真与性能分析实训:高频谐振功率放大器的仿真与性能分析范例:观察输出波形及功率放大器的三种工作状态步骤一绘出电路图()请建立一个项目Ch然后绘出如图所示的电路图(信号源用正弦交流电压源代替)。图高频谐振功率放大器()对信号源U进行设置。AC:交流值现设为mV。UOFF:直流基准电压设定为V。UAMPL:峰值电压设定为~mV可调。FREO:信号频率设定为MHz。TD:出现第一个波形的延迟时间设定为ms。DF:阻尼系数设定为单位为秒的倒数。PHAS:相位设定为。()对变压器T进行设置。COUPLING:互感设定为。LVALVE=m。LVALVE=m为两线圈的电感量。()将图中的其它元件编号和参数按图中设置。注意:图中A、B、C是各点的编号。 步骤二设置TransientAnalysis(瞬态分析)()在PSpice电路分析功能(分析设置)项中选TransientAnalysis(瞬态分析)。()在TransientAnalysis(瞬态分析)中。设置绘图的时间增量设定为ns设置瞬态分析终止时间设定为μs设置瞬态分析起始时间设定为μs。步骤三设置ACSweep(交流分析)()在PSpice电路分析功能(分析设置)项中选ACSweep(交流分析)。()在ACSweep(交流分析)中选用Octave(倍频程)扫描或Decade(十倍频程)扫描类型。 ()设StartFrequency(仿真起始频率)为kHz设EndFrequency(仿真终点频率)为MHz设每Decade(十倍频程)扫描记录点。步骤四存档在执行PSpice分析以前最好养成存档习惯先存档一次以防万一。步骤五启动PSpice进行仿真观察Transient输出波形观察集电极电流波形()设定输入信号U峰值电压为mV。在Probe窗口中选择TraceAdd打开“AddTrace”对话框。()增大输入信号U再次观察集电极电流波形。图高频谐振功率放大器集电极电流波形()将输入信号U的峰值电压设定为mV。观察集电极电流波形(波形出现凹陷)如图所示。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U再次观察集电极电流波形。图工作在过压状态时集电极电流波形观察功率放大器负载上的电压波形()设定输入信号U峰值电压为mV。在Probe窗口中选择TraceAdd,打开“AddTrace”对话框。在窗口下方的TraceExpression栏处用键盘输入“U(C)”。选“OK”退出AddTrace窗口。这时的Probe窗口出现高频谐振功率放大器负载上的电压波形见图。()增大输入信号U设定输入信号U峰值电压为mV。再次观察负载上过压状态下的电压波形如图所示。图谐振功率放大器负载上的电压波形步骤六启动PSpice进行仿真并观察ACSweep输出波形在Probe窗口中选择TraceAdd打开“AddTrace”对话框。请在窗口下方的TraceExpression栏处输入“U(C)”。选“OK”退出AddTrace窗口。这时的Probe窗口出现谐振功率放大器的幅频特性曲线如图所示。图工作在过压状态时负载上的电压波形图谐振功率放大器的幅频特性曲线

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