高頻諧振功率放大及倍頻實驗電路設計淺析

徐海飛 符宇鑫 盛曉春 任恒志

摘 要 作為電子通信專業的基礎課程之一，高頻電子線路主要是學習電子元器件、模擬電路和電路系統，并掌握高頻電子線路概念及其原理，同時掌握非線性電路分析設計方法，為學習電子系統工程奠定堅實的基礎。基于此，本文就高頻諧振功率放大和倍頻實驗電路設計展開研究，首先闡述了其原理，其次對電路設計和分析進行了研究，希望能夠了解諧振功放知識，并掌握倍頻電路相關內容。

關鍵詞 高頻諧振功率放大;倍頻試驗電路;設計

高頻諧振功率放大和倍頻作為高頻電子線路的重要知識點，其將高頻振蕩、甲乙類諧振放大、丙類諧振功率和倍頻電路等融合起來，其中，冰雷功放通過應用并饋串聯諧振實現功率放大，為后續電路的設計奠定了基礎。

1高頻諧振功率放大和倍頻實驗原理分析

高頻諧振功放晶體管饋電方式包括串聯饋電和并聯饋電兩種，而這兩種方式的電源電壓都是位于集電極上，二者的區別主要是濾波匹配網絡接入不同。串聯饋電濾波網絡位于直流高電位，網絡元件無法直接接地，并聯饋電位于直流地電位，網絡元件能夠直接接地，安裝也更加便利[1]。但是，高頻扼流圈并聯琵琶網絡會導致分布參數對網絡調諧產生影響。諧振回路也分成了并聯諧振、串聯諧振兩種方式，當前大部分資料主要介紹了串饋并聯諧振，對于并饋串聯諧振的研究比較少。因此，本文以并饋串聯諧振為對象展開研究。

三極管在丙類狀態工作時，集電極電流就是周期性尖頂余弦脈沖，具有較大的失真性，其中的諧波比較多，通過傅里葉分解后得到直流分量、基頻分量和諧波分量。受到電容隔直通交和高頻扼流圈隔直通交的影響，直流分量只能夠通過一條支路，無法通過另一條支路，而通過的那條支路對于諧波電流分量和基頻分量來說就是斷路，未通過的那條支路對于串聯諧振頻率會產生較小得到阻抗，對其他頻率電流分量來說會產生較大阻抗，也就是斷路[2]。因此，盡管集電極電流具有很大的失真性，但是其仍然可以獲得正弦波形輸出。以下圍繞諧振頻率為基頻展開分析。

本文圍繞諧振頻率為基頻展開分析，通過晶體管靜態特性和外部電路關系公式計算得到尖頂余弦脈沖電流解析式，其由脈沖高度和導通角所決定。通過傅里葉級數求系數法計算，可以得到不同頻次的電流諧波分量。從上述分析發現只有直流分量通過電源電流，由此可以得到電源供給直流功率。基頻分量則經過了負載回路電流，可以得到其交流輸出功率;根據放大器集電極效率定義得到功率、效率曲線圖。按照放大器集電極效率可以得到功率效率曲線，從中可以發現，當導通角為0°時，集電極電流為0，無功率輸出，效率最大。當導通角為120°時，效率與功率輸出有矛盾，需要平衡效率和功率輸出，或是根據電路實際需求尋找最佳的導通角。最佳導通角一般為了平衡功率和效率可以選擇70°。在選頻網絡諧振達到nw時，輸出分析參考諧振對基頻，得到功率和效率曲線，從中可以發現，當倍頻為2時，導通角在60°時功率最大，倍頻為3時，導通角在40°時功率最大，其可以為倍頻器設計提供參考[3]。

2高頻諧振功率放大及倍頻實驗電路設計

2.1 電路設計

實驗電路圖中，信號發生電路核心為晶體管S9018、6MHz石英晶體，甲類諧振放大電路核心是晶體管S8050、6MHz并聯諧振回路，可以用于放大、選頻。丙類二倍頻電路核心是晶體管2SD467、12MHz并聯諧振回路。為保證丙類工作，應用基極自給偏壓電路。異類諧振放大電路采用二極管IN4148確保基極直流電壓鉗位于0.7V位置，放大器處于乙類狀態。級間匹配網絡能夠得到最佳匹配阻抗。丙類諧振功放核心為2SC1970功率管、12MHz并饋串聯諧振回路，應用基極自給偏壓電路，放大輸出最后功率。為了保證丙類二倍電路輸出功率最大，導通角為60°，經過計算得到輸入電壓幅值為1.4V，70°時，電壓幅值為2V，即為丙類諧振功放電路要求電壓幅值[4]。

乙類諧振放大電路最佳負載阻抗大，功放電路輸入阻抗小，級間匹配網絡具有阻抗匹配以及濾除諧波功能。匹配網絡呈現T型結構。匹配網絡效率取0.8。

按照2SC1970手冊，供電電壓為12V，輸出功率為1W，則輸入功率即為0.1W。匹配網絡效率是0.8時，可以獲得乙類放大器輸出功率，通過計算得到其輸出功率為0.125W。在對乙類放大器輸出電壓進行調整，將其調整成5V，可以得到最佳的負載阻抗為100Ω。通過計算可得匹配網絡參數，基極輸入阻抗影響著電感，但是其標稱值具有一定限制，因此，需要先確定其取值后計算阻抗值。由此可以得到，即基極電感為10時，阻抗為94.25，不超過最佳負載阻抗，其與前提條件相符。同時，計算可得匹配網絡參數，電容為17.1，電容電抗為0.51[5]。

2.2 測試分析

本文的電路設計測試時，通過設計的匹配網絡參數對乙類放大器輸出電壓進行調整，將其調整成5/12，正弦波，通過級間匹配網絡可得2/12正弦信號，利用跳線對功放負載電阻進行選擇，得到輸出電波。

在分析放大器負載特性時，若負載回路諧振可以將負載電阻改變，進而得到負載特性。功率管基極輸入信號2/12，諧振功放負載電阻得以改變，采用示波器對負載兩邊輸出電壓進行觀察，并記錄數據，繪制曲線圖。當負載電阻上升時，放大器會從欠壓狀態進入到過壓狀態，電流脈沖也形成了凹陷型的脈沖波。

3結束語

綜上，本研究將高頻電路中的倍頻、信號和功率放大、功率振蕩等結合起來，進行相關的實驗測試，實驗得到，本文所設計的電路能夠實現倍頻和諧振功率放大，因此，該電路具有一定的應用性。

參考文獻

[1] 韓新風，王玉蓮，張永鋒.高頻諧振丙類功率放大器仿真分析[J].長春師范大學學報（自然科學版），2019，38（2）：24-31.

[2] 李春紅，劉麗娟，張華.丙類高頻諧振功率放大器實驗效率誤差分析[J].大學物理實驗，2018，31（6）：112-116.

[3] 劉小偉.磁耦合諧振式無線電能傳輸E類功放的設計與實現[D].無錫：江南大學，2019.

[4] 金偉正，陶琴，楊光義.諧振功率放大器實驗教學[J].電氣電子教學學報，2017（1）：109-112.

[5] 張佳妮.磁諧振式無線電能傳輸系統的高頻功放設計與平臺測試[D].重慶：重慶大學，2016.