高頻功率放大器調制特性分析

摘 要： 高頻功率放大器是通信系統發送設備的重要組成部分，在此利用Multisim仿真軟件對高頻功率放大器的調制特性進行了分析。結果表明基極調制比集電極調制所需的調制功率更小，與理論分析一致；與傳統實驗相比，仿真分析結果形象直觀，容易理解，仿真實驗更能激發學生的積極性和主動性。

關鍵詞： 高頻功率放大器； 調制特性； Multisim； 仿真實驗

中圖分類號： TN722?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）03?0082?03

Analysis for modulation characteristics of high?frequency power amplifier

HUO Wen?xiao， CHE Xiao?yan， HU Xin?yan

（College of Science and Information， Qingdao Agricultural University， Qingdao 266109， China）

Abstract： High?frequency power amplifier is the important part of the transmitter in communication system. Its modulation characteristics are analyzed with Multisim in this paper. The result indicates that the modulation power for base modulation is less than that of collector modulation. This is consistent with theoretical analysis. The simulation analysis result is more visual and easier to understand than traditional experiment result. Simulation experiment can motivate student more than normal experiment.

Keywords： high?frequency power amplifier； modulation characteristic； Multisim； simulation experiment

0 引 言

高頻功率放大器是通信系統發送設備的重要組成部分[1?2]。它的主要功能是可以提供足夠大的高頻輸出功率，以便將信號通過天線輻射出去。高頻功率放大器的另外一個作用是可以構成高電平調幅電路，利用調制信號控制放大器的輸出，這樣既可以實現調幅，又能夠兼顧功率和效率。因此，討論高頻功率放大器的調制特性非常必要。

高頻實驗中經常使用的實驗箱雖然也可以實現調幅功能，但是因為工作在高電平的電路很容易損壞[3]，且電路固定，學生所能做的操作僅僅只是連接幾根導線，這與課本上的理論知識聯系不緊密，無法調動學生的積極性和主動性。使用仿真軟件可以很好地克服這個缺點[4?5]。仿真實驗中，學生自己設計電路，自己確定測量對象或測量方式。這樣既加深了對理論知識的理解，又鍛煉了學生的動手能力，充分調動學生的學習興趣和主動性[6?8]。

本文使用Multisim仿真軟件對高頻功率放大器的調制特性進行分析。根據分析結果，設計調幅電路，查看調幅結果，并對兩種調幅電路進行比較。

1 高頻功率放大器仿真電路

根據高頻功率放大器的原理圖[2]，設計仿真分析電路如圖1所示。

圖中：[Vb]為基極激勵電壓，即高頻信號輸入，振幅為1 V、頻率1 MHz；[VBB]為基極偏置電壓，為了保證工作在丙類狀態，[VBB]為-1 V；[VCC]為集電極偏置電壓，大小12 V；諧振回路中電感[L]取126 μH；電容[C]取200 pF；負載電阻[R]取20 kΩ。

2 負載特性

高頻功率放大器的負載特性是指在輸入信號和偏置電壓不變的條件下，放大器的集電極電流電壓隨負載電阻的變化關系[2]。電阻分別選擇0.5 kΩ，1 kΩ，10 kΩ，20 kΩ，50 kΩ時觀察集電極電壓波形，如圖2所示。

從波形圖可以觀察到當電阻在小于10 kΩ，波形振幅變化較大，說明此時處于欠壓狀態。當電阻在10～50 kΩ之間變化時，輸出波形變化不大，說明此時處于過壓狀態。

結論：隨著負載的增大，電壓從迅速增大到基本保持不變，這個過程也就是課本上所說的從欠壓進入到過壓狀態。因此可適當調整負載大小，以保證放大器工作在過壓或欠壓狀態。

3 集電極調制特性

高頻功率放大器的集電極調制特性是指在輸入信號[Vb、]負載電阻[R、]基極偏置電壓[VBB]不變的條件下，功率放大器的輸出隨電源電壓[VCC]變化關系[9]。

3.1 [VCC]對工作狀態的影響

當輸入信號[Vb、]負載電阻[R、]基極偏置電壓[VBB]不變時，隨[VCC]的增大，放大器的工作狀態從過壓區到臨界再進入欠壓區[2]。若負載電阻[R]設置為20 kΩ，保證放大器工作在過壓狀態。集電極電源電壓分別選擇2 V，12 V，20 V，對應集電極電壓輸出波形如圖3所示。從輸出波形可以觀察到此時輸出波形的頻率不變，振幅隨[VCC]呈線性變化。

3.2 集電極調幅電路

根據集電極的調制特性，可以實現集電極調幅，即將調制信號與直流電源[VCC]串聯，并保證放大器工作在過壓狀態，那么集電極回路輸出的高頻電壓振幅將隨調制信號的波形而變化，實現了調幅。仿真電路如圖4所示。調制信號為正弦波，頻率1 kHz，振幅取3 V，與[VCC]串聯。

通過示波器觀察諧振回路輸出波形為普通調幅波，如圖5所示，包絡變化與調制信號頻率相同、相位相反。調幅度可通過調整調制信號振幅實現。

4 基極調制特性

高頻功率放大器的基極調制特性是指在輸入信號[Vb、]負載電阻[R、]集電極偏置電壓[VCC]不變的條件下，功率放大器的輸出隨電源電壓[VBB]變化關系[9]。

4.1 [VBB]對工作狀態的影響

當輸入信號[Vb、]負載電阻[R、]集電極偏置電壓[VCC]不變時，隨[VBB]的增大，放大器的工作狀態從欠壓區到臨界再進入過壓區。[VBB]取值分別為0.05 V，0.07 V，0.1 V，0.3 V，對應的集電極電壓輸出如圖6所示。

從圖6所示輸出波形可以觀察到此時輸出波形頻率不變，振幅隨[VBB]成線性變化。當[VBB]超過0.6 V時，輸出電壓振幅基本不變，即已進入過壓狀態。

4.2 基極調幅電路

根據基極調制特性，可以實現基極調幅，即將調制信號與直流電源[VBB]串聯，并保證放大器工作在欠壓狀態，那么集電極回路輸出的高頻電壓振幅將隨調制信號的變化而變化，于是得到調幅波輸出。

仿真電路如圖7所示。調制信號為正弦波，頻率20 kHz，振幅取40 mV，與[VBB]串聯。[VBB]取值為0.04 V，以保證放大器工作在欠壓狀態。為了使觀察效果明顯，激勵信號[V4]振幅調整為0.5 V。

通過示波器觀察諧振回路輸出波形為普通調幅波，如圖8所示。從圖中可看包絡變化與調制信號頻率相同、相位相同。由此可知調幅度可通過調整調制信號振幅實現。

5 結 論

本文使用Multisim仿真軟件對高頻功率放大器的調制特性進行了仿真測試。仿真結果顯示了集電極調幅所需要的調制信號振幅較大，即此時需要大功率的調制信號源；而基極調幅所需調制信號振幅很小，此時所需調制功率很小。這也是兩種高電平調幅的主要區別。

與實驗箱測試相比，使用Multisim進行仿真測試不但鍛煉了學生的動手能力，還充分調動了學生的實驗積極性，加深了對理論知識的理解，提高了學生的創新主動性。

參考文獻

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