小功率調頻發(fā)射機研究

1、安徽理工大學畢業(yè)設計 本科畢業(yè)設計說明書小功率調頻發(fā)射機研究DESIGN OF LITTLE POWER FM TRANSMITTER學院（部）： 通信工程 專業(yè)班級： 通信10-1班 學生姓名： 江傳民 指導教師： 鐘鳴宇 講師 2014年 5月 20 日30小功率調頻發(fā)射機摘要本設計為小功率調頻發(fā)射機，其實就是一個小型電臺，可以將聲音加載到無線電信號上發(fā)射出去,用合適的收音機就能接收，并且可以從揚聲器中放出聲音。本次設計的發(fā)射機由由三部分構成：調頻振蕩級、緩沖隔離級、功率激勵和末級功放級。其基本工作原理是通過振蕩級產生穩(wěn)定的5MHz信號，麥克風采集到人的音頻信號，將音頻信號加載到5MHz的

2、載波上，通過緩沖隔離級使末級功放和前一級的調頻振蕩相分開,避免末級功放對振動頻率產生影響，提高頻率穩(wěn)定度,功率增益如果都集中在末級功放容易產生自激，故先通過功率激勵級對信號的微弱電壓進行放大，末級功放一般工作在丙類狀態(tài),工作效率A大于50%，信號功率大于500mW。關鍵詞:發(fā)射機，調頻，無線話筒，小功率 LOW POWER FM TRANSMITTERABSTRACTThe design for the low power FM transmitter, is in fact a small radio station, voice can be loaded into the launch

3、out radio signals, use a suitable radio can receive, and can emit sound from the speaker. The design of the transmitter by consists of three parts: FM oscillation, cushioning isolation levels, power drive and at the end of the power amplifier.Its basic working principle is through the oscillation ma

4、gnitude 5 MHZ signal stability, the microphone to the audio signal, the audio signal is loaded on the carrier to 5 MHZ, through buffer isolation level the level at the end of the power amplifier and the former separate from primary frequency modulation of the oscillation, avoid the last stage amplif

5、ier influence on the vibration frequency, to improve the frequency stability, power gain if are concentrated in the last stage amplifier is easy to produce self-excited, so the first of the weak voltage signal through the power stage of amplification, the last stage amplifier generally work in c cla

6、ss status, the efficiency eta A greater than 50%, signal power is greater than 500 mw, finally will signal the antenna to launch out.KEYWORDS: transmitter;FM, wireless microphone;low power目錄摘要（中文）IABSTRACT（英文）II1 緒論11.1 FM發(fā)射機的概念11.2 FM發(fā)射機的現(xiàn)狀21.3 設計技術指標32 總體方案設計52.1調頻振蕩級52.2緩沖級52.3功率激勵和末級功放級52.2整機電路框

7、圖63 單元電路設計73.1 功率激勵和末級功放設計73.1.1末級功放級73.1.2功率激勵級83.1.3末級功放電路參數(shù)計算93.1.4功率激勵級電路參數(shù)計算123.2緩沖隔離級153.2.1 緩沖隔離級電路原理153.2.2靜態(tài)工作點的計算153.3調頻振蕩級173.3.1 調頻的方案分析與選擇173.3.2變容二極管相關特性183.3.3變容管調相電路參數(shù)計算193.3.4三級單回路變容管調相電路203.4 天線的相關知識及設計203.4.1.天線的輸入阻抗203.4.2.天線的增益213.4.3.天線的極化方式213.4.4.天線的設計方案214 整機電路模擬測試234.1 Prot

8、el和Multisim簡介234.2調頻振蕩級電路測試234.3整機模擬24總結26參考文獻27致謝28附錄一 整機電路圖29附錄二 元器件參數(shù)表301 緒論1.1 FM發(fā)射機的概念二十世紀三十年代，短波（FM）收音機由美國發(fā)明家阿姆斯特朗發(fā)明，同年，他設計了世界上第一臺發(fā)射機，建立了第一個短波廣播站，F(xiàn)M發(fā)射機第一次開始商用。FM發(fā)射機技術由此開始快速發(fā)展。無線通信是利用大氣空間作為傳輸信道來實現(xiàn)信息傳輸?shù)囊环N技術。為了避免與其他同頻率范圍內信號源的相互干擾，控制信號在大氣空間傳送過程中的衰落，同時降低收發(fā)設備成本，日常有用的低頻信號先要調制到有一定頻段的高頻載波上，經過功率放大后由天線發(fā)送

9、到大氣空間，接收機的天線接收到射頻信號后對其進行放大，通過下變頻解調出需要的低頻信號。要實現(xiàn)信息的傳輸，必然會用到發(fā)射機。發(fā)射機的主要功能是對基帶信號進行調制，上混頻到射頻信號，并將信號功率足夠放大供天線發(fā)射出去。發(fā)射機結構的選擇主要考慮以下因素：輸出雜散頻譜必須控制在系統(tǒng)要求的范圍內，不能造成對相鄰信道的影響；在盡可能提高輸出功率效率的前提下，滿足系統(tǒng)線性度的要求；盡量減小片外器件的數(shù)量，以提高集成度，同時降低功耗。發(fā)射機的調制方式主要分調幅、調頻和脈沖(數(shù)字)調制等。發(fā)射機的頻率準確度與頻率穩(wěn)定度也是相對于射頻載波而言的。頻率準確度是指實際工作頻率對于標稱工作頻率的準確程度。頻率準確度越高

10、、建立通信就越快，以至于不尋找對方就可實現(xiàn)通信，提高通信的快速性。頻率穩(wěn)定度是指各種外界因素的影響下發(fā)射機頻率穩(wěn)定的程度。如果頻率穩(wěn)定度很高，建立通信后接收機不需要因頻率變化而進行微調，從而提高了通信的可靠性。無線通信的有效距離及通信的可靠性均與發(fā)射天線的輻射功率有密切的關系。因而發(fā)射機必須保證輸出足夠大的功率。發(fā)射機的總效率是指發(fā)射機傳送到天線饋線上的功率與整機輸入功率的比值。在大功率發(fā)射機中，提高效率可以減小電源消耗，具有較大的經濟意義。發(fā)射機的帶外輻射統(tǒng)稱為雜散輻射，如果發(fā)射機設計不當或使用不當，會使雜散輻射電平過高，干擾其他通信鏈路。當發(fā)射機使用寬帶天線且?guī)捀采w這些雜散頻率時，干擾會

11、更嚴重。為了盡量避免發(fā)生這種干擾，有關的規(guī)程和標準對發(fā)射機的雜散輻射都給出了一定的限制。隨著科技的發(fā)展，信息的容量越來越大，信息的種類也越來越繁復,在無線電通訊和廣播中，語言、音樂、文字、圖像等信息轉換成電波信號然后傳送出去是如何進行遠距離通信的關鍵問題。這些信號頻率比較低，如果采用直接發(fā)送的方式，效率低，距離近，受到的環(huán)境干擾大。因此，只有先對信號進行處理和加工，對信號進行處理和加工的過程稱之為調制，基本原理都是將低頻信號加載到高頻載波上，通過天線發(fā)射出去，這樣信號才能傳送到更遠的地方, 調制信號的方法有三種，調幅（AM），調頻（FM），和調相（PM），而在接收端用特定的接收機把帶有這種低頻

12、信號的高頻信號接收下來，通過解調濾波等步驟還原出原來的低頻信號，達到傳遞信息的目的,從而完成通訊。低頻小功率調頻發(fā)射機是將待傳送的音頻信號通過一定的方式調制到高頻載波信號上，放大到額定的功率，然后利用天線以電磁波的方式發(fā)射出去，覆蓋一定的范圍。隨著器件技術的發(fā)展，調頻發(fā)射機的體積越來越趨于微型化，工作電壓越來越低，信號覆蓋的范圍越來越廣。就目前接、發(fā)射技術來說，調頻發(fā)射因為起得天獨厚的性能優(yōu)勢，在接收機技術上可以有廣闊的發(fā)展前景是因為發(fā)送信號的頻率比較高，那么如何能夠最大限度的減少干擾，如何把這種信號很好的解出來，這成了調頻技術的一種考驗。本文主要就是研究利用頻率調制技術調制高頻信號，并把它發(fā)

13、送出去。 圖1-1 5W的小功率調頻發(fā)射機1.2 FM發(fā)射機的現(xiàn)狀無線電技術誕生以來，信息傳輸和信息處理始終是其主要任務。要將無線電信號有效地發(fā)射出去，天線的尺寸必須和電信號的波長為同一數(shù)量級，為了有效地進行傳輸。必須將攜帶信息的低頻電信號調制到幾十MHz至幾百MHz以上的高頻振蕩信號上，再經天線發(fā)送出去，調頻是信號發(fā)射必不可少的一個環(huán)節(jié)。調頻發(fā)射機目前處于快速發(fā)展之中，在很多領域都有了很廣泛的應用，可以用于演講、教學、玩具、防盜監(jiān)控等諸多領域。隨著科學技術的飛速發(fā)展,FM發(fā)射機取得了許多巨大的進步.就其設備中的放大器件來說經歷了全電子管到半固態(tài)電子管,再到后來的全固態(tài)。放大器件已經全部由全固

14、態(tài)晶體管放大器組成,并以其穩(wěn)定、可靠、高效率、低成本等明顯優(yōu)點，逐步取代了電子管。調頻技術在全國有廣泛的應用空間，無論是在電視電路還是在其它領域內均有涉及，而且在重點省份，超外差接收機還需要進口。2007-2011年超外差接收板行業(yè)生產規(guī)模有特別在的增速，2012-2016年超外差接收板行業(yè)產量產能變化趨勢中，行業(yè)人員持樂觀態(tài)度，他們并對相應出現(xiàn)的需求量進行了分析，做出了估計，行業(yè)領導者對生產現(xiàn)狀及產品策略進行了細致的規(guī)劃。調頻發(fā)射機目前最普遍的應用是在廣播上，關于廣播調頻發(fā)射機的技術發(fā)展也十分迅速。調頻廣播可以解決大面積情況的小功率覆蓋問題，廣播頻率專業(yè)化情況下分區(qū)覆蓋、如交通頻率應用于道路

15、沿線的交通信息；地形、地理等原因造成的覆蓋率低，改善人口密集區(qū)域情況下的收聽，一般使用小功率同步布點。另一個優(yōu)點是建網容易、建網費用低、投資回收快、聽眾無需更換接收機，同時一些發(fā)射點、天饋系統(tǒng)、傳輸鏈路等設施設備，將來數(shù)字化廣播實現(xiàn)時可以繼續(xù)使用，不會重復投資造成浪費；再次是易于規(guī)劃，提高頻譜利用率，消除陰影區(qū)，在改善場強不均勻度方面，使用低高度垂直極化天線，極大地減小對空輻射和根部近場輻射，節(jié)約能源，滿足電磁環(huán)境衛(wèi)生標準，避免對航空頻段造成干擾。缺點也是顯而易見的，一方面是本身的技術缺陷，相干區(qū)的技術處理難度大，并且這種情況不可避免，另外在管理和維護方面不集中，造成設備安全運行保障性不夠強。

16、鑒于調頻同步廣播的諸多優(yōu)點，歐美一些國家（如法國、意大利、美國等），早在80年代晚期就開始了FM同步廣播技術的研究，已建成若干實用的幾百到兩千公里的單頻網（覆蓋高速公路和補點）。廣電總局科技司分別布署了杭甬高速公路，北京市城區(qū)兩個調頻同步廣播的試點，分別由浙江臺、北京臺跟眾力傳播公司、青島廣電所合作實施，并且已于2000年通過驗收。在此基礎上，進一步擴大覆蓋的試驗，深圳電臺自1998年起也進行了調頻同步廣播試驗，2005年已建成5個發(fā)射點的同步廣播系統(tǒng)，基本實現(xiàn)了同步廣播設定的任務目標，由眾力公司設計實施，河南電臺3個點系統(tǒng)試驗播出，截止到2008年初，我國在建和已經實現(xiàn)的調頻同步廣播臺站有2

17、0多家。同頻激勵和系統(tǒng)方案的主要廠家，國外的有意大利泰可諾公司DEX30數(shù)字調頻激勵器，已有10多年的產品經驗；國內的有杭州眾傳公司、北京吉兆電子有限公司，以及南京同頻公司等多家，河南省已有省經濟臺、信息臺、許昌臺等多家省市級電臺涉足同頻廣播。1.3 設計技術指標發(fā)射頻率：小功率發(fā)射機的工作頻段應控制在不需要申報的頻段，頻率太高對硬件要求較高，太低則會使天線過長,本次設計的頻率f0=5MHz； 最大頻偏：即頻率的變化范圍,fm10kHz；頻率穩(wěn)定度：最大頻偏與中心頻率之比,fmf05104小時；總效率：66%-67%左右(功率的效率值)；輸出功率：高頻功放的輸出功率是指放大器的負載RL上得到的

18、最大不失真功率。也就是集電極的輸出功率，即集電極效率：常將集電極的效率視為高頻功放的效率，用表示，當集電極回路諧振時，的值由下式計算：功率增益：功放的輸出功率Po與輸入功率Pi 之比稱為功率增益，用AP(單位：dB)表示AP=Po/Pi非線性失真：非線性失真系數(shù)g 應小于1%;雜音電平：雜音電平應小于65dB。2 總體方案設計由于考慮到阻抗匹配，功率控制等一系列問題，本次設計需要從后向前進行設計,方便完成阻抗的匹配計算, 本次發(fā)射機設計分為三個部分，調頻振蕩級，緩沖隔離級以及功率激勵和末級功放級，本次設計先設計末級功放級,再設計緩沖級,最后設計調頻振蕩級。2.1調頻振蕩級本級用于產生高頻穩(wěn)定的

19、振蕩信號，一般采用改進的LC振蕩電路，LC振蕩器的電路種類比較多，根據(jù)不同的反饋方式，又可分為互感反饋振蕩器，電感反饋三點式振蕩器，電容反饋三點式振蕩器，其中互感反饋易于起振，但穩(wěn)定性差，適用于低頻，而三點式振蕩器穩(wěn)定性好，輸出波形理想，振蕩頻率可以做得較高。選擇電容反饋三點式振蕩器，而電容反饋三點式振蕩器又分為，克拉潑振蕩器和西勒振蕩器。調頻發(fā)射機對頻率穩(wěn)定度有很高的要求，為使信號不發(fā)生失真，一般采用改進型的克拉波電路。本次設計采用的振蕩電路就是使用改進型的克拉波電路。 產生穩(wěn)定的正弦波后，本級還需要對信號進行調制，常見的頻率調制方式有兩種，分別為直接調制和間接調制，各有優(yōu)劣。本設計采用的是

20、間接調頻，這樣易于保持中心頻率的穩(wěn)定度，雖然間接調頻不易獲得最大頻偏但是在設計中采用的是三級單回路變容管調相電路，這樣既可以保持中心頻率又可以獲得最大頻偏。2.2緩沖級本級的作用是將振蕩級與功放級隔離，以減小功放級對振蕩級的影響。從振蕩器的什么地方取輸出電壓也是十分重要的。一般盡可能從低阻抗點取出信號，并加入隔離緩沖級如射極輸出器，以減弱外接負載對振蕩器幅度、波形以及頻率穩(wěn)定度的影響。因為功放級輸出信號較大，當其工作狀態(tài)發(fā)生變化時（如諧振阻抗變化），會影響振蕩器的頻率穩(wěn)定度，使波形產生失真或減小振蕩器的輸出電壓。整機設計時，為減小級間相互影響，通常在中間插入緩沖隔離級，緩沖隔離級電路采用射極跟

21、隨器電路。2.3功率激勵和末級功放級本級也可以分為兩個部分：功率激勵部分和末級功放部分。當從調頻振蕩級輸出的電壓過于微弱，功率激勵級將為末級功放提供激勵功率，使振蕩級的輸出能夠滿足末級功放的輸入要求，一般激勵級工作在丙類狀態(tài)，對效率要求不高。如果振蕩級功率足夠，功率激勵級可以省去。本次設計考慮到如果功率增益都集中在末級功率放大器，會影響電路整體性能，容易產生自激振蕩，因此要根據(jù)實際的情況，合理的分配功率增益。末級功放是將前級送來的信號進行功率放大，使負載（天線）上獲得滿足要求的發(fā)射功率。如果要求整機效率較高應采用丙類功率放大器，若整機效率要求不高如A50%選用丙類功率放大器較好。使功率放大到可

22、以傳遞出去信息?？刹捎霉采浼壏糯箅娐?，工作在丙類狀態(tài)，效率大于50%。2.2整機電路框圖整機的設計電路框圖如圖2-1所示調制信號13dB13dB0dBmW500mW25mW1.25mWmW1.25LC振蕩與調頻緩沖隔離功率激勵末級功放圖2-1 整機設計電路框圖由整機電路框圖可以了解小功率調頻發(fā)射機的工作流程和原理，音頻信號輸入到LC振蕩電路中，LC振蕩電路產生頻率穩(wěn)定的正弦波，通過緩沖隔離級電壓放大倍數(shù)基本不變，通過功率激勵級放大13dB（20倍），再通過末級放大放大13dB（20倍），最后用過天線將信號發(fā)射出去。3 單元電路設計單元電路的設計要從后向前進行設計，根據(jù)設計要求，先設計功率激勵和

23、末級功放級，再設計緩沖隔離級，最后設計調頻振蕩級。3.1 功率激勵和末級功放設計功率激勵級是為了放大微弱信號，使其滿足末級功放的要求，本機設計思路是從末級功放電路設計開始，逆向設計，最后設計調頻振蕩級。末級功放和功率激勵級的輸出應該要達到一定的功率，激勵級的增益不能太小，太小會使末級功放無法起振，也不能太大，太大會造成效率的低下浪費。如果功率增益都集中在末級功率放大器，會影響電路整體性能，容易產生自激振蕩，因此要根據(jù)實際的情況，合理的分配功率增益。如果調頻振蕩器功率較大，在滿足設計需求的情況下，可以去掉功率激勵部分，也可以適當減少功率激勵級和末級功放的功率增益。3.1.1末級功放級末級功放采用

24、丙類功率放大器,效率大于50%，丙類放大器的優(yōu)點是效率很高，一般可以達到85%，但是其晶體管工作延伸到非線性區(qū)域，電流波形的失真比較明顯，因此丙類功率放大器不能用于低頻放大。圖3-1為輸入電壓與集電極電流脈沖的波形關系。圖3-1 輸入電壓與集電極電流脈沖的波形關系圖3-2為丙類功法的負載特性。圖3-2 丙類功法負載特性3.1.2功率激勵級功率激勵級一般采用高頻寬帶放大器，由于對效率的要求不高，寬頻放大器一般工作在甲類狀態(tài)，不會發(fā)生失真，效率低于50%。寬帶放大器不需要調諧回路，晶體管工作在線性區(qū)域，所以波形不會產生失真，但是其效率比較低，一般只有20%左右，放大的倍數(shù)也受到限制。它通常作為發(fā)射

25、機的中間級，考慮到前級的信號電壓是否足夠，以提供較大的功率激勵，為末級功放分擔功率增益。在信號進入末級功放前，如果振蕩級輸出的信號功率過低，將無法使末級功放工作，這個時候需要加上一個寬帶功放，工作在甲類狀態(tài)，甲類狀態(tài)的功率效率低于50%，但是足夠將微弱的電流信號放大一定倍數(shù)。由于寬帶放大器的頻率范圍很寬，在這個范圍內信號將獲得線性放大，三極管工作在線性區(qū)域，波形都不會失真。圖3.3為甲類功放的負載特性。圖3-3 甲類功放負載特性末級功放和功率激勵級電路圖如圖3-4所示。T33DA1T43DG130R20360R183kR195R2122R178.2kC170.02FC180.01FC190.0

26、1FC210.01FC200.01FR2251L510uH+12vTR2TR1ui圖3-4 末級功放和功率激勵級電路功率激勵級的功放管選用高頻率的小功率三極管，這里選用3DG130（也可以選用9018）。3DG130的參數(shù)如表3-1所示。表3-1 3DG130參數(shù)表PCMICMVCEShfefTAP700mW300mA0.6V30150MHz13dB3.1.3末級功放電路參數(shù)計算（1）基本公式1)集電極基波電壓的振幅Ucm （3-1）式中，Icm1為集電極基波電流的振幅；RP為集電極的負載阻抗。2)輸出功率PO （3-2）3)直流功率PV （3-3）4)集電極耗散功率PT （3-4）5)集電極

27、的效率 （3-5）6)集電極電流分解系數(shù) （3-6）7)導通角（一般?。?（3-8）（2）末級功放級的計算為了獲得更高的效率和最大輸出功率，但也不能使輸出波形產生太多的失真，使功率管工作在臨界條件下，導通角，選用高頻3DA1功率放大管。3DA1的參數(shù)如表3-2所示。表3-2 3DA1參數(shù)表PCMICMVCEShfefTAP1W750mA1.5V1070MHz13dB由晶體管3DA1計算其最佳匹配負載RP而輸出功率P=0.5UcmIcm1=Ucm2/(2RP) 計算可得：集電極最大輸出電壓Ucm=10.50V由公式1）得：Icm1=95.20mA由公式6）得集電極電流最大值Icm=Icm1/1(

28、700)=95.2/0.44=216.5mA。則集電極電流直流分量Ico=Icm0(700)=216.50.25=54mA。由公式3）電源供給的直流功率Pv=VccIco650mW。由公式4）PT=Pv-P=650-500=150mW(小于PCM =1W)，可見耗散功率遠小于總功率。由公式5）計算出總效率=Po/Pv=500/649.40=77.00% ，效率滿足設計要求。已知本級功率增益Ap=13dB(20倍)，則輸入功率Pi=P/Ap=25mW，由此得出輸入功率Pi=25mW?；鶚O余弦脈沖電流的最大值Ibm Ibm=Icm/=21.50mA已知3DA1的hfe10，故設三極管的電壓系數(shù)為1

29、0基極基波電流的振幅Ibm1=Ibm1(700)=21.500.44=9.50Ma基極電流直流分量Ib0=Ibm0(700)=21.500.25=5.40mA基極輸入電壓的振幅Ubm=2Pi/Ibm1=5.30V丙類功放的輸入阻抗（3）諧振回路及耦合回路的參數(shù)計算1) 此處要先計算出最佳的匹配負載，輸出變壓器線圈匝數(shù)比N5/N3可以取N5=2，N3=3。2)設諧振回路電容C20=100PF由此可計算出諧振回路電感L3)輸出變壓器初級線圈總匝數(shù)比N3+N4= N N為線圈總匝數(shù)本設計采用外徑內徑高度=10mm6mm5mm的NXO-100環(huán)形鐵氧體來繞制輸出耦合變壓器。由電感強度和線圈匝數(shù)的關系式

30、 所示，計算得N=8，則N4=5或，則N為變壓器初級線圈匝數(shù)；=100H/m為磁導率；A=25mm2為磁芯截面積；Oe取值210，本關系式中Oe取2。在這里應該明確的是，變壓器的匝數(shù)的計算值只能作為參考，在實際情況下，由于分布參數(shù)的影響，與設計值可能會有很大的誤差。我們通常采用磁芯位置可調節(jié)的高頻變壓器方便及時調整線圈匝數(shù)。（4）基極偏置電路計算將發(fā)射極電阻R21 設為已知， 取R21=20，由公示可知：基極偏執(zhí)電壓取標稱值，取C18=0.01uF，電容C20=0.01F（用于濾波，降低波形噪聲）（5）元件清單C20=100pF C18=0.01uF R21=20 L10HN3=5，N4=3，

31、N5=2 三極管為3DA1。3.1.4功率激勵級電路參數(shù)計算（1）電路靜態(tài)工作點的計算1)基極電壓電流VBQ、IBQ2)基極偏置電阻R17、R18 (I1=510倍IBQ)設基極偏置電路的電流I1=5IBQ=50.23mA=1.20mA，則R18約為2.75 k，取標稱值R18=3k。為了提高電路的調節(jié)控制，控制電路的靜態(tài)工作點， R17可由兩個電阻組成，電阻值為5.1k的電阻與10k的電位器。3)高頻旁路電容C17=0.02uF（也可以為0.01 uF），輸入耦合電容C12=0.02uF（也可以為0.01 uF），這兩個電容用于濾波，用于提升波形質量，減低波形噪聲。此外，還可以在直流電源VC

32、C加一個高頻電源去耦合濾波網絡來提升輸出的波形質量，便宜且濾波效果可以滿足本設計要求，一般采用LC的型低通濾波器。型低通濾波器的電容可取0.01F（0.02F也可），電感可使用電感值為47H的色碼電感，也可以在輸出變壓器次級與負載之間加入一個LC濾波器，目的是要改善負載的輸出波形。（2）交流電路的相關參數(shù)計算1)有效輸出功率P1與輸出電阻R1根據(jù)阻抗匹配的原理，寬帶功率放大器的輸出負載R1應該等于末級功放的輸入阻抗。由上文已知末級功放輸入阻抗|Zi|=86，那么輸出負載R1就應該為86。其輸出功率P1應等于下級丙類功放的輸入功率，已知輸入功率Pi=25mW，即P1=25mW，R1=86。2)計

33、算實際輸出功率P，設變壓器的效率=80%，則實際輸出功率Po=P1/=31.24mW。3)計算Ucm與R1 Ucm為集電極電壓振幅，R1為等效負載電阻。經過計算，功放管的靜態(tài)電流ICQ =7mA，Icm= ICQ,，則Ucm=2P/ICQ=2P/Icm=9.02V， ，取標稱值1.3k。4)高頻變壓器匝數(shù)比N1/N2取變壓器次級線圈匝數(shù)N2=2，則初級線圈匝數(shù)N1=6。5)發(fā)射極直流負反饋電阻R20 這里取標稱值R20=360。6)功放輸入功率Pi本級功放采用3DG130晶體管，由表3-1 3DG130的參數(shù)表可知，取功率增益AP=13dB(20倍)，則輸入功率7)功放輸入阻抗Ri(取rbb=

34、25 =30)輸入阻抗Ri=340 ，由交流負反饋的電阻設為108)本級輸入電壓振幅Uim（3）元件清單三極管為3DG130 參數(shù)見表3-1 ，C17=0.02F ，C12=0.02F ， R18=3K R交負=10 ，N1=6，N2=2 ,R20=360 3.2緩沖隔離級當輸出的信號發(fā)生變化時,其諧振阻抗也會發(fā)生變化,如果沒有緩沖隔離電路,調頻振蕩級的頻率穩(wěn)定將會受到末級功放級的影響,致使波形產生失真或使振蕩級的輸出電壓降低。故因在調頻振蕩級后加入一個緩沖隔離電路，其電路特性是輸入阻抗高，輸出阻抗低，電壓放大倍數(shù)接近于1。3.2.1 緩沖隔離級電路原理本設計采用射極跟隨器，電路如圖3-5所示

35、。圖3-5 射極跟隨器射極跟隨器既可以使用在低頻電路中，也同樣適用于高頻電路，它具有簡易的電路結構，優(yōu)良的隔離效果，實用簡單。如圖3-5中，調節(jié)射極電阻RE2，可以改變輸入阻抗，從而改變隔離級的靜態(tài)工作點。射極輸出器的輸入電阻Ri為Ri=RB/RL，式中，RL=(RE1+RE2)/RL,RB=RB1/RB2；輸出電阻R0R0=(RE1+RE2)/r0，式中，r0很小，通過計算可以得出射極跟隨器的放大倍數(shù)接近于1。電壓放大倍數(shù)AV由公示計算，gm稱之為晶體管的跨導，表征電壓變化引起的電流變化，gmRL遠大于1，通過計算不難發(fā)現(xiàn)，電壓放大倍數(shù)略小于1但接近于1。3.2.2靜態(tài)工作點的計算晶體管的靜

36、態(tài)工作點位于交流負載線的中點，靜態(tài)工作點Q表示此時電路處于直流通路的狀態(tài)，沒有交流電壓和信號。這里取VCEQ=1/2VCC ，ICQ=310mA. 對于下圖所示電路，取VCEQ=6V，ICQ=3mA,uiT23DG100R138kR1410kR151kR183kR161kC160.01PFVCCC120.02uF圖3-6 射極跟隨器已知電源電壓Vcc=+12V，寬帶放大器輸入電阻RL=325，Uom=1.0V，晶體管為3DG100（也可以選取s系列的高頻功放管），寬帶電壓器的振幅和輸出電壓振幅是相等的。表3-3 3DG100參數(shù)表PCMICMVCEShfefTAP100mW30mA1.5V30

37、200150MHz13dB0=60。(1)根據(jù)已知條件選取ICQ=4mA，VCEQ=0.5Vcc=6V，則(2)R15、R16：取R15=1k，R16為1k的電位器。(3)R13、R14VEQ=6.0VVBQ=VEQ+0.7=6.7VIBQ=ICQ/0=66.67uA取標稱值R14=10k取標稱值R13=8kW(4)輸入電阻Ri如果忽略晶體管基級電阻的影響，則有（R18=325） (5)輸入電壓Uim (6)耦合電容C12、C16C12的值不能過大，要盡量的減少對上級電路的影響，一般為數(shù)十pF，這里取C12=20PF、C16=0.02F（7）元件清單C12=20PF C16=0.02F R13

38、=8k R14=10k R15=1k R16為1k的電位器 三級管為3DG100，參數(shù)見表3-33.3調頻振蕩級3.3.1 調頻的方案分析與選擇對于LC串聯(lián)諧振電路常見的有兩種調頻方式，分別為直接調頻和間接調頻，各有優(yōu)點和缺點，我們應該在滿足設計要求的情況下進行選擇。直接調頻：可以通過控制調節(jié)電感L（或電容C）從而改變諧振頻率，稱為直接調頻，此方法電路簡單，實現(xiàn)性好，控制方便，計算量也少，但是其頻率穩(wěn)定度不高，受外界環(huán)境影響較大，且調節(jié)電感或電容都會有一定的限制，如果對頻偏要求較高，直接調頻對頻率的調節(jié)范圍還是過窄，在某些對頻率穩(wěn)定度要求較高的電路上應用效果較差。間接調頻：間接調頻比較復雜，但

39、是其頻率穩(wěn)定度高，可控范圍大，其原理是先對信號進行積分，再進行調相，通過調相使之成線性關系，完成對頻率的控制。外界環(huán)境都是比較復雜的，在實際設計中如果載頻波動很大,則可能使調頻信號的頻譜落到接收機通帶之外，產生失真，波形噪聲過于嚴重的情況。因此對于調頻電路的頻率穩(wěn)定度有一定的要求，并且還要滿足最大頻偏fm10kHz。間接調頻的優(yōu)點是頻率穩(wěn)定度較高，因為這種方式分開了調制器和振蕩器，對振蕩器影響減小，缺點是電路復雜，制作難度提高，造成整體電路的分布參數(shù)增加，在計算電路性能是誤差會比較大。本次設計考慮對頻率穩(wěn)定度的要求較高,故采用間接調頻，產生5MHz的正弦波，最大頻偏fm10kHz。變容二極管工

40、作在線性區(qū)域。間接調頻如圖3-7所示： 調相器積分uucuuo圖3-7間接調頻設計圖3.3.2變容二極管相關特性變容二極管的主要參數(shù)有三個：主振頻率，頻率穩(wěn)定度，最大頻偏。主振頻率：LC振蕩器的輸出頻率fo稱為主振頻率。用數(shù)字頻率計測量回路的諧振頻率fo，高頻電壓表測量諧振電壓Vo，示波器監(jiān)測振蕩波形。頻率穩(wěn)定度：主振頻率fo的相對穩(wěn)定性用頻率穩(wěn)定度表示。 最大頻偏指在一定的調制電壓作用下所能達到的最大頻率偏移值。將稱為相對頻偏。圖3-8為變容二極管的特性曲線。圖3-8變容二極管的Cj-v特性曲線設電路工作在線性調制狀態(tài)，二極管工作在線性區(qū)域，則在靜態(tài)工作點Q處，曲線的斜率為本次設計采用單回路

41、變容管，通過調節(jié)信號相位變化完成對頻率的調節(jié)，但是單個的變容管的頻率偏移不夠大，故使用三個回路進行疊加，構成三級單回路變容管調相電路，優(yōu)點是其電路的頻率穩(wěn)定性搞，但應注意其靜態(tài)工作點不應太高，太高會使三極管的工作區(qū)域進入飽和區(qū)，導致輸出的波形失真，太低則會使三極管處于截止區(qū)，使電路不易起振。3.3.3變容管調相電路參數(shù)計算設調制信號經積分后得 （3-9）k為積分增益。再對載波進行調相，如下圖公式所示 （3-10），注意到上式中進行過積分和調相后與上述表示式完全相同。由此可見，調相是實現(xiàn)間接調頻的關鍵，只要使相位偏移和頻率變化成線性關系，就可以實現(xiàn)線性調頻。本次設計采用的是變容二極管調相電路，電

42、路如圖3-9所示。R1R3R4R2C1C3C4C2CjLucuvccuo圖3-9 變容二極管調相電路觀察圖3-9中，電感L與變容二極管結電容Cj是并聯(lián)的，它們一起構成了一個并聯(lián)諧振回路， R3、C4 對信號先進行一次積分，而調制信號電壓u經耦合電容C3加到R3、C4上，R3和C4 組成了一個積分電路。 因此加到變容二極管的調制信號為u，調制信號控制著變容二極管的電容Cj隨積分后的電壓的變化而變化，當相位發(fā)生改變時，既變容二極管的電壓發(fā)生變化，信號的相位就隨之改變，控制著諧振回路的諧振頻率隨調制信號積分電壓的變化。選擇合適的變容二極管，調整恰當?shù)碾娐穮?shù)，可以使調制信號與相位變化成線性關系，就可

43、以構成一個間接調頻電路。3.3.4三級單回路變容管調相電路根據(jù)回路相移的特性，其線性范圍是有限的，調節(jié)范圍也是很小的，因此圖3-9所示的單回路變容管調相電路得到的頻偏是不大的，故還要使用擴大頻率偏移的方法。除了改進電路的模型之外，使用倍頻的方法可以擴大頻率的偏移。如圖3-10所示，疊加三個變容二極管調相電路，可以滿足設計要求的頻偏。圖3-10 實際間接調頻電路圖（三級單回路變容管調相電路）3.4 天線的相關知識及設計天線（英語：antenna）是一種變換器，它把傳輸線上傳播的導行波，變換成在無界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進行相反的變換。在無線電設備中用來發(fā)射或接收電磁波的部件。

44、無線電通信、廣播、電視、雷達、導航、電子對抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)，凡是利用電磁波來傳遞信息的，都依靠天線來進行工作。此外，在用電磁波傳送能量方面，非信號的能量輻射也需要天線。一般天線都具有可逆性，即同一副天線既可用作發(fā)射天線，也可用作接收天線。同一天線作為發(fā)射或接收的基本特性參數(shù)是相同的。3.4.1.天線的輸入阻抗天線的輸入阻抗就是指天線饋電端輸入電壓與輸出電流的比值。天線與饋線相連接時， 此時饋線上沒有駐波，饋線終端上沒有功率反射，頻率的變化對天線的輸入阻抗影響較小。使饋線的特征阻抗與輸入電阻最大程度的接近，同時要消除天線輸入阻抗中的電抗分量，從而使天線能夠正常工作，這個過程稱為天線的

45、阻抗匹配。一般移動通信中的天線的輸入阻抗為50左右，本次設計天線的輸入阻抗為60。3.4.2.天線的增益衡量一個天線朝特定方向傳輸和接收信息的能力稱為天線的增益。要提高天線的增益強度，需要在保持水平面上的輻射是全方向的，但是盡可能的減小垂直面向輻射的波瓣寬度。表征天線增益的參數(shù)增益有兩個，dBd和dBi。dBd是用半波偶極子的天線增益為參考的出的天線增益dB值，dBi是用理想點源全向天線為參考得出的天線增益dB值，在各個方向是均勻相同的，兩者的關系是dBi=dBd+2.15。兩者都是相對值，只是參考的對象不同。在相同的條件下，增益越高，電波傳播的距離越遠。但是天線是無源器件，天線并不增加激勵。

46、3.4.3.天線的極化方式天線極化是描述天線輻射電磁波矢量空間指向的參數(shù)。電場矢量在空間的取向固定不變的電磁波叫線極化。有時以地面為參數(shù)，電場矢量方向與地面平行的叫水平極化，與地面垂直的叫垂直極化。電場矢量與傳播方向構成的平面叫極化平面。垂直極化波的極化平面與地面垂直；水平極化波的極化平面則垂直于入射線、反射線和入射點地面的法線構成的入射平面。由于電波的特性，水平極化波傳播時會產生極化電流，大地相當于一個大的電阻，從而消耗了電場能量，而垂直極化決定了這種方式不易產生極化電流，避免了能量的衰減。因此，在移動通信系統(tǒng)中，天線都采用垂直極化。3.4.4.天線的設計方案天線分為許多種類，常見的有拉桿天

47、線，偶極子天線等。拉桿天線價格低廉方便實用，但是作為發(fā)射天線時其覆蓋的面積很?。慌紭O子天線分為全波和半波兩種，信號強度大，但是價格高昂。小功率發(fā)射機使用拉桿天線即可。天線的長度一般選取為波長的1/4，這樣可以達到最好的傳播性能。在空氣中信號的傳播速度約為光速，本發(fā)射機的中心頻率為5MHz，因此，由公式c=f，其中c為光速，為波長，f是頻率，由此計算可得到天線的長度為15米，可見天線太長，可以使用螺旋式天線。螺旋天線的有效性不如拉桿天線，其長度也不能達到波長的1/4，但是更實用，當螺旋線圓周長為一個波長時，體積小，收取方便。4 整機電路模擬測試整機測試的順序應該與設計相反，從前向后級調試。因為本

48、次設計的電路中調頻振蕩級是產生信號的出發(fā)點，故需要先單獨對振蕩級進行測試，緩沖隔離級和末級功放是無源電路，故不需要分別測試。本次設計使用Protel進行電路圖繪制，使用Multisim進行電路模擬。Protel在電路圖的繪制上有著相對快捷的操作和豐富的元器件庫，而Multisim在電路的搭建和仿真上有著便捷的操作和強大的仿真能力。4.1 Protel和Multisim簡介Protel是應用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設計軟件，采用設計庫管理模式，可以進行聯(lián)網設計，具有很強的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設計軟件，可以完成電路原理圖設計，印制電路板設

49、計和可編程邏輯器件設計等工作，可以設計32個信號層，16個電源-地層和16個機加工層。Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的基于PC平臺的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件的描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式的搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim在繪制電路圖，進行電路仿真方面都有很大的優(yōu)勢和相對便捷的操作。我們無需掌握深奧的SPICE技術，就能很快的獨立完成電路的相關操作。4.2調頻振蕩級電路測試我們使用Multisim軟件對電路進行相關測試。首先將電源電壓輸入設計值

50、Vcc=12V，觀察信號輸出是否為穩(wěn)定的正弦波，如圖4-1所示。圖4-1 振蕩級波形輸出由圖4-1所示，調頻振蕩級輸出了穩(wěn)定的正弦波?？芍{頻振蕩級的電路在一般情況下可正常工作。4.3整機模擬因為緩沖隔離級和末級功放是無源電路，故不需要分別測試，直接對整機電路進行模擬。輸入電源電壓Vcc=12V，使用萬用表測得其輸出電壓為2.925V（如圖4-2），根據(jù)電壓和功率的公式，測出其輸出功率為565mW，滿足設計中最低不小于500mW的輸出功率要求。圖4-2 整機輸出電壓整機輸出波形如圖4-3所示：圖4-3 整機輸出波形總結這三個多月的畢業(yè)設計，是我大學以來的重要課題，是我將大學四年所學知識的融匯在一起的重要機會。從開始的無從入手，到一知半解，再到逐漸熟悉，我也經歷了一次學習和成長的過程。在老師的指導下，我認真閱讀了小功率調頻發(fā)射機的相關書籍，重新溫習了模擬電路，高頻電路的相關知識，逐步對課題進行深入，逐步對課題進行擴展，最終成功的完成了任務。剛開始設計時困難很多，尤其是電路元器件參數(shù)設計和靜態(tài)工作點的計算，我都覺得無從下手，在請教了老師和查閱了大量的資料后，我才慢慢的完成任務，這個過程很辛苦，也很愉悅。通過這次畢業(yè)設計，我發(fā)現(xiàn)學好課本上的只是非常重要，調頻發(fā)射機的相關知識都是我們已經學過的知識，如果對知識的掌握不夠牢固，就會產生困惑和 挫折。但是，僅僅是學習了課本上的知識，也是很