1、第 4 章 无线发射技术 第第 4 4 章章 无线发射技术无线发射技术 4.1 基本概念基本概念 4.2 射频功率放大射频功率放大 4.3 调制调制 4.4 发射通道典型集成电路发射通道典型集成电路 习题习题4 第 4 章 无线发射技术 4.1 基本概念基本概念 发射设备主要包括发送终端、发射机(Transmitter)和发射天线(Antenna)三部分。发送终端将待发送的消息变换为电信号后，发射机对该电信号进行放大、变换，使其功率足够大、频率适合信道传输，即成为射频(Radio Frequency)已调波信号，再由发射天线将射频已调波信号变换为电磁波向外辐射。第 4 章 无线发射技术 发送终
2、端是发射设备的系统输入端，其作用就是把消息源的消息转换成原始电信号。例如通话时，话筒就是发送终端，它把声音转换为话音电信号。通常，这种直接由消息转换成的电信号的频率都比较低，其频率的主要特性是信号的最高频率与最低频率的比值很大，远远大于1，这种信号称为基带信号(Baseband Signal)。话音信号的频率在100 Hz 5 kHz 范围内，电视图像信号的频率在06 MHz范围内，数据信号的频率范围则取决于它的传输速率，这些信号都属于基带信号。第 4 章 无线发射技术 发射天线作为发射设备的系统输出端，它的作用是把在发射机中经过调制的射频振荡变换为电磁波，并有效地辐射到空间。电磁波在空间的传
3、播途径主要有：地面波、天波和空间波等，传播的方式取决于电磁波波长。要想有效地辐射电磁波，天线的尺寸要与电磁波波长在同一个数量级上，故发射天线的选取主要由工作频率决定。第 4 章 无线发射技术 发射机则是要把发送终端输出的原始电信号，变换成适宜发射天线辐射的载有消息的已调高频振荡电信号，并输出给发射天线。由于基带信号的频率大部分都分布在低频端，不适宜在无线信道中直接传送，故在无线通信中不直接传输基带信号，而是通过调制(Modulation)将基带信号的频谱搬移到比较高的频率范围后再传输。这种经过调制，频谱变高以后的信号称为已调波(Modulated Wave)信号。而基带信号又称为调制信号(Mo
4、dulating Signal)。未经调制的高频振荡信号称为载波(Carrier)。发射机的作用一是变换信号的频率，二是放大信号功率到足够大，目的是使输出信号的频率和功率都适合于无线信道发送。发射设备系统功能的实现及性能的好坏主要取决于发射机。第 4 章 无线发射技术 4.1.1 发射机的基本工作原理发射机的基本工作原理 发射机的主要功能是：产生高稳定的射频振荡载波，且将携带消息的基带信号调制到载波上，生成携带消息的已调波信号，并放大已调波信号的功率到足够大，然后输出给发射天线，由发射天线辐射出射频电磁波，将消息传送到接收端。第 4 章 无线发射技术 由终端设备直接输出的原始电信号，一般电平都
5、比较低，不适合直接去调制，需经放大滤波后，再输入到调制器去调制载波。通常，我们把这部分电路统称为基带电路，或低频电路，虽然有时其工作频率并不低。例如视频信号的最高频率可达几MHz，但在发射机中，仍将其称为低频电路。低频电路的主要特点是具有良好的线性，即在放大信号的同时保证信号的不失真。有时为了避免混淆，也常把针对视频电信号的电路称为视频电路，把针对话音电信号的电路称为音频电路。原始电信号经低频电路后，就将调制信号送入调制器，然后对载波进行调制,产生已调波。第 4 章 无线发射技术 为了保证已调波载频的稳定度，调制器需要一个高稳定的载波，它由振荡源提供，通常采用石英晶体振荡器作为振荡源。对于波段
6、工作的发射机来说，其载波一般由频率合成器提供。这里所说的高频是相对于低频而言的，指适宜发射的较高频率，所以也常称为射频(Radio Frequency)，本书对此不加区别。射频功率放大器的作用是放大射频信号到足够大的功率。发射机射频输出功率的大小随用途的不同而不同，一般发射机的射频输出功率可从几百毫瓦到几千瓦。第 4 章 无线发射技术 无线通信发射机主要由振荡源、射频功率放大器、调制器及低频电路等组成。按调制器在发射机中所处位置的不同，可将它分为高电平调制和低电平调制两大类。高电平调制是指在发射机中高电平级也就是在功放末级或末前级进行的调制，由于末级或末前级电平较高，故称为高电平调制,其基本组
7、成框图如图4-1 所示。其基本工作原理是：振荡源输出高稳定度的射频载波，经射频功率放大器放大到足够大的功率后，调制上载有消息的基带信号，直接送给发射天线。发射机的这种组成结构特点是：由于调制在功率放大之后进行，因此可以采用高效率的C类和D类谐振功率放大器，且调制器对振荡源的影响小；但对除AM调幅以外的其它调制的实现比较困难。高电平调制方案又称为射频直接调制。第 4 章 无线发射技术 图 4-1 发射机的基本组成框图(高电平调制方案)第 4 章 无线发射技术 低电平调制是指在发射机中低电平级也就是在功率放大之前进行的调制。其基本组成框图如图4-2(a)所示。其基本工作原理是：调制信号先对振荡源输
8、出的高稳定度载波进行调制，再由射频功率放大器将射频已调波放大到足够大的功率后，送给发射天线。这种组成结构的最大特点是：调制的实现比较方便，可以保证调制的良好线性。为了保证调制的性能，低电平调制可先在频率相对较低的固定中频(Intermediate Frequency)进行，而后再通过变频器(Mixer Convertor)将已调波的载频搬移到发射频率上，如图4-2(b)所示。此时，调制器工作在中、小信号状态，易于获得良好的调制线性；同时在固定中频上进行滤波和匹配也比较容易实现，更易满足性能指标的要求。但由于调制在功率放大之前进行，因此功率放大器的工作效率较低，且调制器容易对振荡源产生影响。低电
9、平调制方案又称为间接调制。第 4 章 无线发射技术 图 4-2 发射机的基本组成框图(低电平调制方案)第 4 章 无线发射技术 对无线发射机进行分类的方法很多，常见的有按工作频率（波长）、调制方式、传送消息形式、传输信号性质、功率等级及运载方式等分类。无线电工作频段见表0-1。按工作频率（波长）分类，可将无线发射机分为短波发射机、超短波发射机、微波发射机等。短波发射机工作在1.530 MHz频率范围内，超短波发射机工作在301000 MHz频率范围内，工作在1 GHz频率以上的发射机通称为微波发射机。按调制方式分类，发射机可分为调幅、单边带、调频、振幅键控、频率键控、相位键控等几种。第 4 章
10、 无线发射技术 采用不同的调制和键控方式的发射机，其组成差别很大，所使用的工作频率也有所不同。比如，调幅和单边带主要用于短波波段，调频主要用于超短波和微波波段。按传送消息形式分类,发射机可分为电话和电报两类。在民用通信中，电报的应用已很少了，但在某些特殊场合，电报通信仍然是一种重要的通信方式，比如在军事通信上。目前较多的是按传输信号性质分类，可分为模拟和数字两大类。模拟发射机与数字发射机除了所传送的信号性质不同外，它们的调制方式一般也不相同。依据信号特点，数字信号的调制通常采用键控方式。第 4 章 无线发射技术 虽然发射机有多种分类方法，但通常一部发射机中可能会含有多种类型，比如，一部发射机可
11、能会有多种不同的调制方式。我们知道，为了保证收发间的正常通信，发射机与接收机的类型要相匹配，如在频段划分、调制解调方式等方面应相互一致。发射机所含类型越多，其通用性越强，当然它的复杂程度也就越高。第 4 章 无线发射技术 4.1.2 发射机的主要性能指标发射机的主要性能指标 1.工作频率或工作波段工作频率或工作波段 工作频率或工作波段指发射机末级输出的射频载波的频率或射频载波的频率范围，它由发射机的用途所决定。如广播发射机都为固定工作频率，而军用发射机则多采用波段工作。工作频率范围越宽，通信时选择工作频率的机动性就越大。无线电信号是利用空间媒介传播的，发射机无序发射电磁波，将造成空间电磁波污染
12、。各国都有一个专门机构无线电管理委员会对此进行管理。任何个人和单位要使用无线电设备时，都应到当地无线电管理委员会登记并申请批准。表4-1 为广播与电视频率划分表。第 4 章 无线发射技术 表表 4-1 广播与电视频率划分表广播与电视频率划分表 第 4 章 无线发射技术 2.输出功率输出功率 输出功率指发射机输送到天线输入端的功率。某些情况下为了测量方便，规定在指定的电阻负载（如50 或75）上的功率为发射机的输出功率。无线电通信的有效距离及通信的可靠性与发射机的输出功率有关。一般来说，发射机输出功率越高通信的有效距离越远，可靠性越高。对于波段工作的发射机来说，要求它在整个波段中的输出功率不低于
13、规定值。第 4 章 无线发射技术 发射机的输出功率一般以所发射信号的载波功率来进行标定。对于非恒定包络的已调波，其输出功率采用峰包功率或平均功率标定。峰包功率定义为已调波包络峰值点上射频一个周期的平均功率。对于峰值因数较高的非恒定包络的已调波，仅用平均功率还不能充分反映输出功率的大小，通常还需要考虑峰值点功率。第 4 章 无线发射技术 无线电管理委员会对个人或单位所使用的无线电设备的输出功率也有所限制，通常要求它不能干扰当地广播、通信的正常工作。例如我国无委会规定：无绳电话座机的发射功率不得超过50 mW，手机的发射功率不得超过20 mW；玩具无线电通信设备的发射功率不得超过100 mW，玩具
14、无线电遥控设备的发射功率不得超过1 W等。发射机的输出功率决定了发射机射频功率的放大量，射频输出放大器级数及末级功放的输出功率都由此项指标确定。第 4 章 无线发射技术 3.效率效率 发射机的总效率指发射机输出功率与全机输入总功率之比。提高效率可以减小输入功率，减小电源体积重量。通常发射机的总效率在百分之几到百分之三十之间。第 4 章 无线发射技术 4.频率准确度和频率稳定度频率准确度和频率稳定度 频率准确度指发射机实际工作频率对于所要求的工作频率的准确程度。频率准确度越高，收发之间建立通信越快，因此要求频率准确度越高越好。通常把通信时无需进行搜索寻找，只要将收、发信机置于指定工作频率上后就可
15、以建立通信的情况称做不寻找通信。高频率准确度是实现不寻找通信的主要条件之一。频率稳定度指发射机工作过程中，在各种因素变化的影响下发射机频率稳定不变的程度。当频率稳定度很高时，已经建立起来的通信，就不会因为频率变化而中断，这使得接收机在工作过程中不需要进行频率微调，这种情况称为不微调通信。第 4 章 无线发射技术 当频率准确度和频率稳定度都很高时，就可实现不寻找、不微调通信，这有利于快速沟通联络和提高通信的可靠性。一般要求发射机的频率准确度和频率稳定度越高越好。发射机的频率准确度和频率稳定度取决于振荡源输出的高频振荡波的频率准确度和高频振荡波的稳定度。发射机频率准确度和频率稳定度的定义与频率合成
16、器一章中频率准确度和频率稳定度的定义相同。第 4 章 无线发射技术 5.杂散辐射杂散辐射 发射机工作时，除了在工作频率上输出有用功率外，还常常有一些不需要的功率输出，这称为杂散辐射。杂散辐射主要由工作频率谐波、由于非线性而产生的互调组合频率及寄生振荡等组成。除工作频率外的其它无用频率分量又称为副波。当杂散辐射过大时，将会严重干扰其它通信链路的正常工作，因此需要加以限制。通常要求谐波及副波的输出功率比主波输出至少低40 dB。第 4 章 无线发射技术 4.2 射频功率放大射频功率放大 图 4-3 功率放大器的组成框图 第 4 章 无线发射技术 4.2.1 射频功率放大器射频功率放大器 为了输出尽
17、可能大的功率，功率放大器往往工作在接近其器件工作极限的状态下。要保证功率管的安全工作，应使功率管工作在其极限参数范围内。对功率晶体管而言，有三个极限参数：集电极反向击穿电压、集电极最大允许电流和最大允许管耗。放大器的输出功率主要受限于功率管本身的极限参数。功率放大器实质上是一个能量变换器，在输入信号控制下，放大器将电源馈给的直流能量转换为随输入信号变化的交变能量。这种能量间的转换效率就是放大器的效率。第 4 章 无线发射技术 功率放大器的效率C 定义为（4-2-1）式中：Po 放大器的输出功率；PD 电源提供的直流功率；PC 功率管集电极耗散功率。第 4 章 无线发射技术 为提高放大器效率,应
18、尽可能减小功率管集电极的耗散功率PC。若功率管集电极的瞬时电压和电流分别为uCE和iC，则PC为（4-2-2）第 4 章 无线发射技术 要减小PC，就要减小管子的瞬时管耗，使得uCE与iC的乘积尽可能小。一般通过减小电流iC的导通时间来降低PC。随iC导通时间的缩短，放大器的工作状态依次为A类（甲类）、B类（乙类）、C类（丙类）；当放大器的工作状态为D类（丁类）和E类（戊类）时，功率管工作在开关状态。除A类外，放大器工作状态从B类到C类，直到开关状态的D类、E类，PC越来越小，C显著提高，但同时集电极电流波形失真也越来越严重,需利用谐振回路滤除由于非线性产生的谐波分量，选出所需基频或某次谐波，
19、实现放大器的不失真放大。第 4 章 无线发射技术 1.A类射频功率放大器类射频功率放大器 A类射频功率放大器的原理图如图4-4(a)所示，它是线性功率放大器。放大器中不加图中虚线框的LC谐振回路也可不失真地放大信号。输出端加LC谐振回路，可滤除因电路状态变化产生的寄生分量。与一般线性放大器相同，A类射频功率放大器的直流工作点Q选择在交流负载线中点，如图4-4(b)所示，功率管工作在全导通状态。第 4 章 无线发射技术 图 4-4 A类射频功率放大器的原理图和交、直流负载线 第 4 章 无线发射技术 为了提高放大器的效率，要尽量减少集电极直流通路上不必要的直流损耗，因此直流负载应尽可能小。图4-
20、4(a)中集电极直流馈电采用扼流圈，而发射极电阻RE非常小。放大器的直流负载线近似为过集电极电源电压且与横轴垂直的直线，如图4-4(b)所示，即有（4-2-3）为了得到最大输出功率，在保证输出波形不失真的前提下，应尽可能增大交流等效负载电阻Ro，同时输入尽可能大的激励信号，使放大器工作在充分激励的状态下。此时，放大器的输出功率Po为（4-2-4）第 4 章 无线发射技术 式中：Icm集电极电流振幅，当放大器输入充分激励时，IcmIQ。A类功率放大器的最高效率C max为（4-2-5）由式(4-2-5)可见，理想情况下A类功率放大器的最高效率为50%。对于实际的A类功放，由于受饱和压降、饱和电流
21、和输入信号幅度变化等因素的影响，其效率远远低于50%。第 4 章 无线发射技术 A类功率放大器的集电极耗散功率PC为（4-2-6）上式表明：输出电流振幅越大，集电极耗散功率越小;输出电流振幅越小，集电极耗散功率越大。当Icm=0，即无输出信号时，集电极耗散功率达到最大值:PC=PD，即电源供给的功率全部转化为功率管的管耗，放大器的效率为零。第 4 章 无线发射技术 2.B类射频功率放大器类射频功率放大器 A类功率放大器的效率比较低，并且当没有输入信号时，所有电源电压功率全部消耗在功率管上。为了克服A类功率放大器的缺点，在B类功率放大器中，静态工作点Q下移到截止区边缘，这样，使得静态时集电极电压
22、为UCC，而集电极电流为零，如图4-5(b)所示。显然，B类放大器在工作状态时，零信号输入，功率管无管耗，解决了A类放大器零信号输入时管耗较大的问题。在B类放大器工作状态下，输入正弦信号时，单管仅在输入波形的半个周期内导通，而在另半个周期内截止，输出为严重失真的半波正弦信号。第 4 章 无线发射技术 在射频功率放大器中可采用谐振回路作为匹配网络，滤除谐波分量，选出所需基频或某次谐波，实现不失真放大。但通常B类功率放大器并不以这种形式工作，而是由两只相同的管子构成推挽电路，轮流工作于信号的正、负半周，合成输出完整的波形，实现对输入信号的线性放大。所以B类推挽功率放大器是线性功率放大器，在整个输入
23、信号周期内均具有线性工作特性。第 4 章 无线发射技术 B类推挽射频功率放大器的原理图如图4-5(a)所示，其输出端加LC谐振回路的作用与A类射频功率放大器的相同。一般来说，滤波回路不是线性放大器所必需的。在图4-5(a)中，输入信号经输入变压器Tr1分别向1、V2的基极提供幅度相同、极性相反的激励信号，在输入信号的正、负半周，1、V2轮流导通，各自产生一通角=90的集电极脉冲电流iC1和iC2。此两电流经输出变压器Tr2后，在负载回路合成完整的信号波形。参见图4-5(b)的B类推挽功放的图解分析。第 4 章 无线发射技术 设从输出变压器Tr2初级看过去的等效负载电阻为 ，则两管合成的输出功率
24、为 式中：电源电压利用系数。（4-2-7）第 4 章 无线发射技术 图 4-5 B类推挽射频功率放大器的原理图和图解分析 第 4 章 无线发射技术 电源提供的总功率为所以，B类推挽功率放大器的效率为（4-2-9）（4-2-8）第 4 章 无线发射技术 理想情况下，=1，则最大效率为（4-2-10）B类推挽功率放大器有比A类功率放大器更大的输出功率，而且效率高于A类,因此是线性功率放大器中被广泛使用的一类放大器。第 4 章 无线发射技术 3.C类射频功率放大器类射频功率放大器 从提高射频功率放大器的效率出发，进一步减小功率管导通时间，使其小于半个周期，即通角 90，则放大器工作在C类状态。C类功
25、率放大器的基本原理图如图4-6(a)所示，其基极偏置电压-UBB使放大器静态工作点处于截止区内。在C类工作状态下，功率管集电极电流波形严重失真。当输入正弦波时，集电极电流为一串脉冲宽度小于半个周期的余弦脉冲序列，如图4-6(b)所示。功率管输出接由匹配网络与外接负载一同构成的谐振回路，对iC的基波谐振，而对iC的其它谐波分量给予抑制，使得回路上仅有由基波分量产生的电压，而包括直流在内的其它各次谐波分量均可忽略，负载上就得到了所需的无失真输出信号，如图4-6(b)所示。第 4 章 无线发射技术 图 4-6 C类射频谐振功率放大器的原理图和集电极电流、输出电压波形 第 4 章 无线发射技术 谐振回
26、路在C类谐振功率放大器中的作用非常重要，它可将失真的集电极电流脉冲变换为不失真的输出余弦电压。同时，谐振回路还将对含有电抗分量的实际负载起阻抗变换作用，当回路谐振时，可将实际负载电阻变换为放大器所需要的最佳负载电阻值，实现放大器的功率匹配。因此，在谐振功率放大器中，谐振回路起到选频和匹配的双重作用。第 4 章 无线发射技术 图 4-7 C类功放集电极余弦电流脉冲 第 4 章 无线发射技术 C类谐振功率放大器输入余弦信号时，管子集电极余弦电流脉冲如图4-7 所示，则(-t)(t)（4-2-11）其中,（4-2-12）将式（4-2-12）代入式（4-2-11）中，则有(-tRs，这表明由串联电路转
27、换为并联电路可提高电阻阻值，阻值提高的倍数取决于电路的Q值。由式（4-2-29）可知，当电阻阻值不变时，电路的Q值随电抗的变化而改变，调整Xp可改变电阻阻值提高的倍数。同理，由并联电路转换为串联电路可降低阻值。在功率放大器中可利用这一基本原理来实现阻抗匹配。第 4 章 无线发射技术 2)L型匹配网络 L型匹配网络是指由两个异性电抗连接成“L”型结构的匹配网络，它的基本形式如图4-12 所示。其中，并臂电抗和串臂电抗一定为异性电抗，图中并臂为电容元件，而串臂为电感元件。此时，L型匹配网络为一低通网络。第 4 章 无线发射技术 图 4-12 L型匹配网络 第 4 章 无线发射技术 图 4-12(a
28、)中，由阻抗的串/并联转换得:（4-2-31）这种匹配网络结构简单，但只适用于R1R2的匹配。若需匹配 R10，则（4-2-33）第 4 章 无线发射技术 图 4-13 型匹配网络 第 4 章 无线发射技术 4)T型匹配网络 T型匹配网络是指三个电抗元件接成“T”形结构的匹配网络，如图4-14所示。T型匹配网络也可以分解成两个L型网络，不过此时为两个L型网络的并臂相联。同样分解时要保证分解后的L型网络的串臂与并臂为异性电抗。将T型匹配网络分解成两个L型网络后，就可以利用L型网络的方法进行计算了，其计算方法与型匹配网络的一样。第 4 章 无线发射技术 图 4-14 T型匹配网络 第 4 章 无线
29、发射技术 5)互感耦合双调谐匹配网络 图 4-15 互感耦合双调谐匹配网络 第 4 章 无线发射技术 如图 4-15 所示，次级对初级的反射电阻为 若输入端对回路的接入系数为p，则R1折合到回路中的电阻(4-2-35）(4-2-34）初级回路可等效为L型网络，则有(4-2-36）由 可确定次级回路的L2，由谐振条件可确定XC2=XL2。第 4 章 无线发射技术 3.输出匹配网络输出匹配网络 在发射机射频功率放大末级用以连接发射天线的电路称为输出匹配网络。对输出匹配网络提出的要求是：(1)实现将负载阻抗变换为功放管所要求的匹配负载阻抗，以保证射频功放管能高效率地输出所需的功率；(2)能滤除不需要
30、的各次谐波分量，以保证负载上获得所需要频率的射频功率；当传输已调波时，匹配网络应具有一定的通频带，使已调波能不失真输出；(3)匹配网络的损耗要小，即网络的功率传输效率要尽可能高。第 4 章 无线发射技术 根据天线接入集电极电路的不同，输出匹配网络可分为简单输出匹配网络和复合输出匹配网络两类。简单输出匹配网络是将负载直接接入集电极电路，使之成为并联谐振电路的一臂，电路中只有一个谐振回路。其优点是电路简单，缺点是阻抗匹配不易调整，滤波效果不好。复合输出匹配网络一般包含两个相互耦合的谐振回路，耦合的方式可采用互感、自感、电容耦合等。与天线相接的回路称为天线回路，与功率管相接的回路称为中介回路。在复合
31、匹配网络中,天线回路、中介回路分别对工作频率谐振，其滤波作用优于简单匹配网络。可通过调整耦合改变中介回路的等效电阻，达到阻抗匹配。第 4 章 无线发射技术 前面在进行阻抗匹配网络计算时，我们没有考虑匹配网络本身的损耗，这样做不仅对计算匹配网络的元件参数不会带来多大的误差，而且还使计算大大简化。但是在实际中，回路的电感、电容都有损耗，功率管输出的射频功率将有一部分消耗在回路元件的损耗电阻上。把匹配网络输出到负载上的有用功率与输入给匹配网络的总功率之比定义为匹配网络的效率r，则有(4-2-37）第 4 章 无线发射技术 式中：放大器的输出功率；输出到负载RA上的有用功率，RA为负载RA在回路中的等
32、效电阻；匹配网络损耗电阻Rl上的消耗功率。由于电容损耗一般远小于电感损耗，所以，匹配网络的损耗电阻Rl可近似视为回路中电感的损耗，故回路空载品质因数Q0可近似为回路电感的品质因数，即（4-2-38）第 4 章 无线发射技术 回路有载品质因数QL为（4-2-39）则（4-2-40）由此可见，要提高匹配网络效率，回路空载Q值越大越好，有载Q值越小越好。匹配网络应采用高频低损耗电容和高Q值的电感线圈，以提高Q0值，Q0值一般可达150200。同时，由于匹配网络工作于谐振状态，因此要求回路电容、电感具有高耐压特性，且能通过大电流。降低QL也可提高效率，但QL的降低受到回路滤波作用的限制，降低QL 将减
33、小回路的滤波能力。一般QL不宜太低，通常不小于10。第 4 章 无线发射技术 4.级间耦合网络级间耦合网络 在多级射频功率放大中，除输出级外，把其它各级又统称为中间级。虽然这些中间级的用途不尽相同，但它们的集电极回路都是用来馈给下一级放大器所需要的激励功率的，故称这些回路为级间耦合网络。对下级放大器来说，这些回路又是输入匹配网络，因而这些回路也称为输入匹配网络。与输出级以天线为负载不同，中间级的负载都是下一级放大器的输入阻抗，其阻值随激励电压大小、功率管工作状态的变化而变化。因此，对级间耦合网络的主要要求是：在不稳定的负载下为下一级放大器提供稳定的激励电压。所以，中间级放大器一般工作在过压状态
34、，近似可等效为恒压源，它的输出电压随负载变化比较小。有意识降低级间耦合网络的效率，增加回路损耗，使在下一级输入阻抗上消耗的功率相对回路的损耗来说只是较小的一部分，这样，下一级输入阻抗的变化对前一级工作状态的影响就比较小。第 4 章 无线发射技术 4.2.3 自动调谐自动调谐 1.发射机调谐原理发射机调谐原理 发射机的调谐实际上就是对谐振功率放大器的调谐与调整。为了叙述原理方便，我们以图4-16 的互感耦合双调谐回路谐振功率放大器为例，说明一般发射机的调谐原理。这里只给出了对一级放大器的调谐与调整，当采用多级放大和其它调谐回路时，发射机的调谐原理基本相同。第 4 章 无线发射技术 图 4-16
35、谐振功率放大器调谐 第 4 章 无线发射技术 调谐与调整功率放大器的工作状态主要通过放大电路内装入的各种仪表来进行，如测量UCC、UBB、IC0(或IE0)等的直流电表与测量回路电流Il和天线电流IA的高频电流表（热电耦表）等。这些仪表在接入电路时应遵循以下几条原则：(1)各种仪表都应接在高频“地”电位，以避免仪表的分布电容影响放大器电路的正常工作。(2)必须尽力避免高频电流通过直流仪表，因此所有的直流仪表都必须并接旁路电容。(3)由于谐振回路中电容回路的谐波电流较大，因此测量回路电流Il的热电偶表必须接在感性支路一边，以使电表读数准确。第 4 章 无线发射技术 应该指出，测高频电流的热电耦表
36、是有热惰性的，指示变动缓慢，准确度也较低，只能作为辅助指示。测直流的磁电式仪表动作敏捷，指示也较准确，所以IC0电表是最主要的调谐指示器。在有些机器中，往往把直流电流表串联在发射极电路中，用测量IE0来代替测量IC0。调谐与调整是具有不同的含义的。调谐是指将放大器调到谐振状态；调整是指将已经谐振的放大器回路阻抗（呈纯电阻性）调节到预期的数值，以获得所需要的输出功率与效率。因此，第一步应是调谐，第二步则是工作状态的调整。一般进行调整时要影响到放大器的谐振，通常要进行反复地调整才能使放大器工作在匹配谐振状态。第 4 章 无线发射技术 图 4-17 中介回路调谐特性(a)过压状态；(b)欠压状态 第
37、 4 章 无线发射技术 由以上的讨论可知:在过压时，用IC0电表读数最小值作为谐振指示，较为准确；在欠压时，利用Uc或Il作为谐振指示，较为准确。不管是在过压，还是在欠压工作，回路失谐所引起的恶果都是使输出功率PL急剧下降，集电极耗散功率迅速上升，以至集电极效率大大下降，甚至烧毁管子。由此可见，要想使谐振功率放大器安全而有效地工作，uc与ub的相位必须正好相差180，集电极回路须谐振于工作频率上。第 4 章 无线发射技术 在发射机开始调谐之前，为了确保放大器的安全，应先作如下两步准备工作：(1)适当减弱与前级的耦合Mi，以保证激励电压Ub不过大。其原因是，集电极回路未调谐时的阻抗很小，晶体管工
38、作于严重的欠压状态，可能在加入UCC时，Pc过大，使晶体管受损。减小Ub，就减小了初始的IC0，从而保证了Pc不致过大。(2)减弱负载（天线）与中介回路的耦合Mo，最好是先断开负载回路。其目的是使中介回路的Q值尽可能高，以取得尖锐的谐振曲线，从而得到准确的调谐。第 4 章 无线发射技术 完成上述准备工作后，按下列步骤调谐：(1)保持基极回路在谐振状态，基极加入激励电压（亦即将前级放大器的集电极电源UCC加上），然后加入本级的UCC。为了避免在集电极回路未调到谐振时IC0过大，以至使晶体管受损，初调时可只加额定值的1/21/3。(2)UCC一接通，立刻就有IC0出现，此时必须迅速调谐，使IC0读
39、数达到最小。IC0达最小时说明集电极回路已调到谐振，然后将UCC逐步升高到额定值。每提高一次UCC，都应略调回路电容Co，以使IC0总是处在最小点。当回路谐振时，Uc达到最大，因而回路电流Il也达到最大。第 4 章 无线发射技术 (3)在中介回路调好后，即可开始调整天线回路。使Mo为弱耦合，调节天线回路电容CA。当天线回路谐振时，IA应达到最大值。此时，天线回路阻抗会反射到中介回路，使中介回路的等效阻抗下降，造成Uc下降，其结果是使IC0上升。因此，天线回路的调谐特性应如图4-18所示。注意，千万不要将中介回路的调谐特性（图4-17）与天线回路的调谐特性（图4-18）弄混淆。第 4 章 无线发
40、射技术 (4)保持中介回路与天线回路都在谐振状态，逐步改变二者间的耦合Mo。Mo越大，则反射到中介回路的电阻越大，使它的等效阻抗越小。随Mo由小到大，放大器逐渐由过压向欠压过渡。IC0、Il与IA的变化如图4-19所示。当Mo为某值时，IA达到最大，亦即输出功率达到最大，一般这相当于临界状态。(5)调整Mo，使IC0、IA等的读数达到设计值附近后，调谐匹配任务即告完成。在调整Mo时，有时也要调整Mi，同时要维持回路在谐振状态。第 4 章 无线发射技术 图 4-18 天线回路调谐特性 第 4 章 无线发射技术 图 4-19 负载特性 第 4 章 无线发射技术 2.自动调谐的组成及原理自动调谐的组
41、成及原理 图 4-20 发射机自动调谐装置的组成框图 第 4 章 无线发射技术 发射机调谐主要包括：末级功率放大器集电极回路调谐，天线回路调谐以及功率放大器与天线的匹配。利用功率放大器输出电压与输入电压的相位关系，取出输出电压与输入电压的相位差，加到相位比较器中，相位比较器根据此相位差输出一个反映放大器失谐程度的误差信号，送到逻辑控制电路，由逻辑控制电路给出调谐控制指令，送到调谐控制电路，调谐控制电路控制调谐匹配网络中的调谐元件，向减小相位比较器输出误差信号的方向调整，直至相位比较器输出误差信号为零。此时回路处于谐振状态，放大器谐振时，相位比较器输出零信号，逻辑控制电路给出停止指令，调谐控制电
42、路控制调谐元件保持不变。第 4 章 无线发射技术 天线匹配耦合器完成发射机与各种所用天线在工作波段范围内进行有效匹配的功能，把功率放大器的功率最大限度地传输到天线上去。在大功率发射设备中，发射机与天线之间相距一定距离，两者用馈线连接。通过天线匹配耦合器调整天线与馈线匹配，能有效减小馈线的传输损耗，提高馈线的功率容量，这对大功率发射设备非常有意义。自动调谐装置匹配天线匹配耦合器时，由检测器检测传输线上任一点的输入阻抗特性、相位特性及驻波比等反映匹配谐振信息的参数，将该参数转换成数字脉冲信号形式后，送入逻辑电路。利用逻辑电路控制调谐元件变化的大小与方向，直到天线匹配耦合器满足匹配要求为止。第 4
43、章 无线发射技术 自动调谐可分为两种。一种叫机电调谐，其调谐方法是用伺服电机改变调谐元件的电感或电容，达到调谐。这种方法调谐机构笨重，控制功率大，调谐时间长，早期曾用于中功率、大功率发射机。另一种方法是电调谐，是通过改变电流或电压来改变调谐元件的数值。这种方法设备体积小，结构简单，调谐时间短，是自动调谐的主要方法。第 4 章 无线发射技术 3.调谐元件调谐元件 调谐元件是自动调谐系统中的关键部件，它决定了匹配网络的效率和调谐的速度。在机电调谐中，常有滚动线圈和真空可变电容器作调谐元件。在电调谐中可用作调谐的元件有：二进制开关调谐元件、压电电容、可控导磁线圈和变容二极管等。下面对这些调谐元件作简
44、单的介绍。第 4 章 无线发射技术 (1)滚动线圈。它通过改变抽头从而改变滚动线圈的圈数，来调节其电感量。滚动线圈可调范围大，可以从不到1微亨到几毫亨，并能承受大的功率容量，但它的调谐机构比较庞大和笨重，所需调谐时间长，调谐噪声大，一般多用于大、中功率的发射机中。(2)真空可变电容器。它是最多见的调谐元件之一，它的容量变化范围大，耐压强度高，损耗小,但比较笨重，多用于大、中功率发射机中的机电调谐和人工调谐机构中。第 4 章 无线发射技术 (3)二进制开关调谐元件。它又被称为数字可变电容器或数字可变电感器。实际上它是受数字电路控制的若干个电容或电感的组合。它的线性比较好，功率容量也比较大，控制简
45、单并且较灵活，可以静态调整,但当频率比较高时，其分布电容、引线电感的影响比较大，适合于工作频率不太高的短波中、大功率发射机。(4)压电电容器。它通过改变外电场及压电体的介质常数来改变电容的大小。其可调范围较大，Q值高，体积不大，直流功耗较小，线性也比较好,但需要补偿电路及外加记忆装置，耐振动和冲击性能差，是一种较为理想的电调谐元件，广泛应用于发射机的电调谐中。第 4 章 无线发射技术 (5)可控导磁线圈。它利用控制直流绕组电流大小的方法，改变元件的外加磁场，从而改变高频铁氧体的导磁率，达到改变高频线圈电感量的目的。通常采用饱和可变电抗器作为可控导磁线圈，通过外加磁场去改变射频线圈中的铁氧体的导
46、磁率，以改变线圈的电感量。利用永久磁铁提供的外加磁场，即利用永久磁铁的直流绕组流过的电流脉冲来改变永久磁铁的磁场强度。永久磁铁的磁场强度的变化，能导致铁氧体内的磁场和导磁率的变化，从而得到所需要的电感变化范围。永久磁铁的剩磁作用，使它具有保持记忆电感量的能力。当网络调谐完毕后，它可保持匹配状态，并且性能稳定，控制电路也比较简单,但其可调范围不够大，Q值不高，线性较差，多用于中、小功率的发射机中。第 4 章 无线发射技术 (6)变容二极管。它利用变容管的电容受电压控制的机理，由加在变容二极管上的反向控制电压，改变其电容值。它的可调范围大，Q值高，体积小,功耗小,但线性较差，易受环境温度影响,常用
47、在小功率发射机的电调谐中。第 4 章 无线发射技术 4.2.4 检测器检测器 1.相位检测器相位检测器 相位检测器用以检测传输线上任一点的电抗或调谐匹配网络的输入阻抗的相位，从而确定网络的失谐状态，并为调谐系统提供误差信号。它在检测点对电压、电流取样后进行比较，当电压与电流同相位时，输出为零，否则视相位差的正负而输出带极性的误差信号。其原理电路如图 4-21 所示。第 4 章 无线发射技术 图 4-21 相位检测器 第 4 章 无线发射技术 电压取样为 若外部阻抗远大于L，则电流取样为（4-2-42）（4-2-41）加到两只检波二极管上的电压分别为（4-2-43）第 4 章 无线发射技术 误差
48、电压 与 经检波后的直流电压之差：。设检测点上电压 与电流 之间的相位差为，由于电压取样 与电流取样 相差90，所以有：（4-2-44）利用二项式展开上式,得（4-2-45）第 4 章 无线发射技术 图 4-22 相位检测器的矢量图(a)E0 感性失谐 第 4 章 无线发射技术 2.阻抗检测器阻抗检测器 图 4-23 阻抗检测器(a)原理图；(b)检测特性 第 4 章 无线发射技术 电压取样为（4-2-46）若lR，则电流取样为（4-2-47）加到两只检波二极管上的电压分别为（4-2-48）第 4 章 无线发射技术 设检波器传输系数为1，误差电压为（4-2-49）当E=0时，当E0时，选择电路
49、元件参数，使，则当E=0时，|Z|=R0。阻抗检测器的检测特性如图4-23(b)所示。第 4 章 无线发射技术 3.正向功率检测器和反向功率检测器正向功率检测器和反向功率检测器 图 4-24 正向功率检测器和反向功率检测器的电路原理图 第 4 章 无线发射技术 电压取样为（4-2-50）若L1R1、L2R2，则电流取样为（4-2-51）第 4 章 无线发射技术 加到两只检波二极管上的电压分别为（4-2-52）传输线上有（4-2-53）第 4 章 无线发射技术 式中：入射波电压、电流；反射系数；ZC 特性阻抗。选择电路元件参数，使 将式（4-2-53）代入式（4-2-52），得（4-2-54）第
50、 4 章 无线发射技术 设检波器传输系数为1，则误差电压为（4-2-55）检测器的输出误差电压E1仅为入射波电压的函数，即仅与正向功率成平方根关系。在匹配时，入射波振幅Uf最大时，检测器输出的E1也最大。检测器的输出误差电压E2仅为反射波电压的函数，即仅与反向功率成平方根关系。在匹配时，反射波为零时，检测器输出的E2=0。失配越大，E2输出越大。第 4 章 无线发射技术 4.数字电压驻波比检测器数字电压驻波比检测器 图 4-25 数字式电压驻波比检测器的原理框图 第 4 章 无线发射技术 由正向功率及反向功率，不难求出电压驻波比为（4-2-56）由图 4-25 可知，数字式电压驻波比检测器的工
