感應裝定系統中功率放大電路的設計與仿真

楊 敏，王 利，馬振興，王 珊，王國帥

(中北大學機電工程學院，山西 太原 030051)

0 引言

引信控制系統決定著彈丸的起爆時間，是武器系統不可或缺的裝置[1]。由于射頻識別(radio frequency identification,RFID)具有無源、非接觸、能量和數據一體化傳輸的特點[2]，RFID技術逐漸被應用于感應裝定系統中[3]。本文將RFID中的功率放大電路應用于感應裝定系統中，解決了目前感應裝定系統無法在大口徑火炮的彈丸中實現遠距離無線能量傳輸的問題。

1 裝定器基本電路的設計

裝定器基本電路如圖1所示。上位機將火控系統發來的裝定信息發送至裝定器，單片機控制模塊通過程序來識別該信息，并將其編碼成數字基帶信號。裝定器中的調制電路將其調制，輸出適合無線傳輸的信號。由于該調制信號的幅值太小，無法實現遠距離無線傳輸，所以本文設計了一種功率放大電路。該功放電路將信號放大并加載到發射線圈上，實現了遠距離的無線能量傳輸。本文將RFID中功率放大電路應用于感應裝定系統，并對功放電路進行仿真及試驗驗證。

圖1 裝定器基本電路Fig.1 Basic circuit of the loader setter

通過分析大口徑彈丸的裝定情況，根據最小感應距離為6 cm的要求，選擇近耦合系統較為合適。因為感應裝定系統在復雜的金屬環境下工作，要求工作頻率為800 kHz～2 MHz[4]，所以本文選擇的工作頻率為1 MHz。

經過調制電路調制的信號直接加載到發射線圈上時，由于其電流較小，會影響接收線圈感應到的接收功率。因此，調制電路輸出的信號要經過功放電路進行放大。功率放大電路原理圖如圖2所示。

圖2 功率放大電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of power amplifier circuit

功率放大器按照晶體管的導通角大小，可以分為A類(導通角為2π)、B類(導通角為π)、C類(導通角為0～π)三種類型。由于A、B、C類功率放大器的效率較低，已逐漸被淘汰。D類功率放大器具有高效率、低失真的優勢[5-6]。D類功率放大器的工作原理是用兩只放大性能相同、導電極性相反的三極管接成推挽形式[7]，兩管輪流導通，一個三極管在信號的正半周期工作，另一個在負半周期工作，從而避免了功率放大電路中的非線性失真，在負載上得到的信號波形完整且穩定。兩個晶體管狀態互補、輪流導通。其中一個晶體管導通，即“開”狀態時，Ic很大，但Vc很小；“關”狀態時則相反，兩者的乘積Pc都很小，所以其效率較高，可以達到80%以上[8]。基于以上分析，本文選擇D類功率放大器。

調制電路輸出的信號進入功率放大電路，經極性電容C4、C5濾波后,再經由二極管與電阻的并聯回路進入三極管的基極。當調制信號輸入為1，U2管基極電壓接近電源電壓，U2管截止，U1管導通；反之，U2導通，U1截止。兩基極之間并聯的電容C6電容值用來提高三極管開關速度,C6越大，兩三極管之間的轉換速度越慢。共集電極輸出的信號經C3隔直后，加載到發射線圈上。故確保發射線圈L1和C1的諧振為1 MHz是提高輸出功率的關鍵。一旦放大器輸出回路失諧，會對放大電路產生不良影響甚至燒壞晶體管[9]。負載R5可以認為是電感線圈損耗電阻。

R5的電流基波幅值為：

(1)

負載上的輸出功率為：

(2)

直流電源的輸入功率為：

(3)

功率放大器的效率為：

(4)

由式(2)可以看出，若忽略晶體管飽和壓降VCES的影響，Po和VCC的平方成正比。所以，只要提高電源電壓，即可增大負載上的輸出功率，使電感線圈L1的損耗電阻R5較小[10]。從式(4)中可以看出，提高電源電壓也有利于提高效率,所以應選擇合適的電源電壓，保證功率放大電路有較高的輸出功率和效率。本文選用的功放管型號為8550與8050。通過查詢數據手冊，所選用電源電壓應滿足9 V≤VCC≤25 V。這是因為電壓過高容易燒壞三極管、過低則沒有達到晶體管的工作電壓。

2 Multisim仿真及結果分析

根據以上理論分析，用Multisim 10.0進行仿真調試。本電路中：f=1 MHz,C1、L1處于諧振狀態，四個二極管用于穩定功放管基級，選用普通二極管1N4149即可。開關轉換電容C6選用1 μF，濾波電容C4=C5=10 μF。當電源電壓VCC=15 V時,通過調試發射極限流電阻R1、R2的阻值來調試電路，使電路達到最佳放大狀態。通過仿真調試，發現R1、R2較小時，放大效果更加明顯。但考慮到R1、R2為發射極限流電阻，其阻值不能過小，否則起不到作用，所以選擇R1=R2=10 Ω。

仿真結果為：當輸入信號為2 V時，輸出信號可高達20 V，放大效果明顯且放大信號完整穩定，無失真。由于本文中的載波頻率為1 MHz,此功率放大電路也可以用于載波頻率為1 MHz的RFID發射電路。

3 試驗驗證及結果分析

按照仿真所得的參數進行試驗平臺搭建。

功放電路的輸入波形，其電壓幅值為1.68 V。當電源電壓為15 V時，經過功率放大后，加載到發射線圈上的信號幅值為36.8 V，且信號完整穩定，沒有失真。通過試驗調試，得出如下結論。①功放管的選擇至關重要，要選擇互補特性好、散熱能力強的功放三極管，以提高功放性能。②適當增大電源電壓可以提高發射功率，當VCC=12 V時，輸出電壓幅值為30.0 V；當VCC=15 V時，輸出電壓幅值為36.8 V；當VCC=17 V時，輸出電壓幅值為39.8 V。所以在試驗時，可以適當提高電源電壓，但電源電壓不能超過三極管的Vceo,以免燒壞三極管。

由以上分析可知，該功放電路放大效果較好。為了進一步研究其功率放大效果，利用簡單的引信接收模塊電路，通過接收器中感應到的距離來驗證功放效果，且通過簡單的解碼電路來測試在該距離下是否可以得到完整的原始信息。

調試結果如下。

①當電源電壓為15 V時，在不同感應距離下，接收線圈感應到的電壓信號是不同的。在感應距離分別為6 cm、 8 cm、10 cm、12 cm時，接收電壓幅值分別為3.36 V、 3.02 V、2.56 V、1.84 V，且均可解調出基帶信號。這些基帶信號由單片機解碼后，可以得到完整的原始信息。②在調試中還發現，感應距離受功率放大電路中電源電壓的影響，接收線圈電壓幅值隨電源電壓的降低而緩慢下降。比如在相同的測試條件下，以單片機可以還原出完整的信號為前提，當電源電壓為18 V時，感應距離最遠可達14 cm；當電源電壓降到15 V時，感應距離為13 cm。以上調試結果表明，該裝定器中的功率放大電路并不是獨立工作的，它可以為引信接收器提供足夠的功率與能量，保證信號和能量的傳輸。

4 結束語

針對大口徑火炮中感應裝定系統無法實現遠距離傳輸的問題，本文設計了裝定器中的功率放大電路。通過仿真及試驗電路調試，得到以下結論：①該功率放大電路具有較高的穩定性，能夠長時間輸出穩定的波形，且波形不失真；②感應距離隨著功率放大電路中電源電壓的增大而增大，當電源電壓為15 V時，最遠感應裝定距離可達到12 cm,完全滿足火炮裝定的最小距離要求；③本文所設計的功率放大電路可以為引信接收器提供足夠的功率與能量，保證信號和能量的傳輸。

參考文獻:

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