第3章通信信号的发送

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第3章 通信信号的发送3.1 通信信号的功率放大3.2 谐振功率放大器 3.3 宽频带的功率合成(非谐振高频功率放大器) 3.4 倍频器 3.5 天线 3.6 实训:高频谐振功率放大器的仿真与性能分析

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3.1 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。

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3.2 谐振功率放大器3.2.1 谐振功率放大器的基本工作原理 1.工作原理 谐振功率放大器的原理电路如图3.1所示。

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iC iB + ub - - UBB Cb Cc UCC u BE + V u CE C L + RL u o -

图3.1 谐振功率放大器的原理电路

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θ=180°,为甲类工作状态θ=90°,为乙类工作状态 θ<90°,为丙类工作状态 图3.2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=UBB+Ubmcosωt 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。

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图3.1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3.2(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 =Ic0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…+Icnmcosnωt (3―1)

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iC 转移特性 i Cmax UBB 0 Uo n u BE -

iC

u BE

Uo n UBB Ub m iB

t

(b )

t

-

Ub m

ub

- iC (a ) u CE UCC UCEm in

t

(c)

t

-

t

(d )

t

(e)

图3.2 谐振功率放大器各级电压和电流波形

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2. 电路的性能分析准线性折线分析法的条件如下： (1) 忽略晶体管的高频效应。 (2) 输入和输出回路具有理想滤波特性。 uBE=UBB+Ubmcosωt (3―2)

uCE=UCC-Ucmcosωt

(3―3)

(3) 晶体管的静态伏安特性可近似用折线表示。

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iC

iC

i Cmax UBB 0 Uo n u BE - 0

t

图3.3 晶体管折线化后的转移特性曲线及ic电流

0 uB E Ub m

t

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1) 余弦脉冲分解图3.3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=UBB+Ubmcosωt,晶体管折线化后的转移特性为

iC {

0

u BE U on u BE >U on

(3―4)

G ( uBE U on )

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将uBE=UBB+Ubmcosωt代入上式，可得iC=G(UBB+Ubmcosωt-Uon) 得 0=G(UBB+Ubmcosθ-U ) (3―6) (3―7) (3―5) 由图3.3可得，当ωt=θ时，iC=0,代入式(3―5),可求

U on U BB cos U bm U on U BB arccos U bm式(3―5)减式(3―6),得 iC=GUbm(cosωt-cosθ)

(3―8)

(3―9)

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当ωt=0时,将iC=iCmax代入式(3―9),可得iCmax=GUbm(1-cosθ) 式(3―9)与式(3―10)相比，可得 (3―10)

cos t cos iC iC max 1 cos

(3―11)

式(3―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和导通角θ。利用傅里叶级数 将iC展开

iC I co I c1m cos t I c 2 m cos 2 t I cnm cos n t I co I cm cos n tn 1

(3―12)

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求得上式中各次谐波分量

1 1 sin cos I co iC d ( t ) iC max ( ) 2 1 cos a0 ( )iC max I c1

(3―13)

1

iC max sin cos iC cos td ( t ) 1 cos

(3―14)

a1 ( )iC max I cn 1

2iC max sin cos n sin cos iC cos n td ( t ) n( n 2 1)(1 cos )(3―15)

an ( )iC max

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0 .6 0 .5

1 0 1 0 3 2

n , 1 / 0

0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0 20 40 60

8 0 1 00 1 20 1 40 1 60 1 80 / (° )

图3.4 余弦脉冲分解系数

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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2 1 1 2 1 U cm Po I c1U cm I c1RP 2 2 2 RP

(3―16)

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

PDC UCC I c0功率之比，即

(3―17)

放大器集电极效率等于输出功率与直流电源供给

Po 1 U cm I c1 1 a1 ( ) 1 c g1 ( ) PDC 2 UCC I co 2 a0 ( ) 2

(3―18)

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由式(3―18)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=180°,g1(θ)=1,ηc=50%; 乙类工作状态，θ=90°,g1(θ)=1.57,ηc=78.5%; 丙类工作状态，θ=60°,g1(θ)=1.8,ηc=90% 2) 导通角的选择

(1) 等幅波功率放大。(2) 调幅波功率放大。 Ic1=iCmaxα1(θ)=GUbm(1-cosθ)α1(θ) (3)n次谐波倍频。

120o n n

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3.2.2 谐振功率放大器的工作状态分析1.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3.5 可得，电路 的外部关系 uBE=UBB+Ubmcosωt uCE=UCC-Ucmcosωt 由上两式可得

uBE

U CC uCE U BB U bm U cm

(3―19)

将式(3―19)代入式(3―4),得动态线方程式

UCC uCE iC Gc (U BB U bm U on ) U cm

(3―20)

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