高平电子线路课程设计

由于高频振动器所产生的高频振动信号的功率很小，不能满足发射机天线对发射机的功率要求，所以在发射之前需要经过功率放大后才能获得足够的功率输出。 本次课程设计使通过已学的电路基础知识，模拟高频振动功率放大器，使发射机内部各级电路之间信号功率能有效传输，这就要求放大器输入端和输出端都能实现阻抗匹配。即放大器输入端阻抗和信号阻抗匹配，放大器输出端阻抗和负载阻抗匹配。 ### 高平电子线路课程设计知识点详解 #### 一、高频功率放大器概述 高频功率放大器（High-Frequency Power Amplifier, HFPA）是一种重要的电子元件，在通信系统特别是发射机中扮演着关键角色。其主要功能是将高频振荡器产生的微弱高频信号放大到足够的功率水平，以满足发射天线的要求。为了实现这一目标，高频功率放大器不仅需要具备高效的能量转换能力，还需要确保信号传输过程中的阻抗匹配。 #### 二、课程设计目的与背景 **背景介绍：** - **高频振动器输出功率小：** 高频振荡器产生的高频信号功率非常有限，不足以驱动发射天线进行有效的无线传输。 - **功率放大需求：** 因此，在信号传输到天线之前，需要通过功率放大器提高信号的功率。 **课程设计目的：** - **掌握高频功率放大器原理：** 学习并理解高频功率放大器的工作原理及其在通信系统中的应用。 - **实现有效信号传输：** 通过设计高频功率放大器，确保信号在发射机内部各级电路间的有效传输。 - **阻抗匹配技术：** 实现放大器输入端与输出端的阻抗匹配，即输入端阻抗与信号源阻抗匹配，输出端阻抗与负载阻抗匹配。 #### 三、设计方案论证 **设计内容要求：** - 输出功率 \( P_o = 2\, \text{W} \)，工作中心频率 \( f_o = 4\, \text{MHz} \)，效率 \( \eta > 50\% \)。 - 电源供电为 12V，负载电阻 \( R_L = 75\, \Omega \)。 - 使用晶体管 2N2219，其主要参数包括最大耗散功率 \( P_{cm} = 1\, \text{W} \)，最大集电极电流 \( I_{cm} = 750\, \text{mA} \)，集电极发射极饱和电压 \( V_{CES} = 1.5\, \text{V} \)，特征频率 \( f_T = 70\, \text{MHz} \)，电流增益 \( h_{fe} \geq 10 \)，功率增益 \( A_p \geq 13\, \text{dB} (20\times) \)。 **设计思路及方法：** - **高频功率放大器工作原理：** - 在无线电信号发射过程中，发射机振荡器产生的高频振荡信号功率较小，需要经过一系列放大，如缓冲级、中间放大级、末级功率放大级等，最终获得足够的高频功率输出。 - 高频功率放大器不仅应用于发射机中，还在高频加热装置、高频换流器、微波炉等多种电子设备中有广泛应用。 - **工作状态选择：** - 由于高频功率放大器的工作频率较高且相对频带较窄，通常工作于丙类状态（某些情况下可工作于乙类状态）。 - 丙类工作状态的特点是电流导通角小于 90°，能够提供较高的效率和较大的输出功率。 #### 四、高频功率放大器类型及原理 **高频功率放大器类型：** - **窄带高频功率放大器：** 采用选频滤波作用的选频电路作为输出回路，又称调谐功率放大器或谐振功率放大器。 - **宽带高频功率放大器：** 输出电路采用传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此也被称为非调谐功率放大器。 **高频功率放大器原理：** - **谐振功放原理：** - 晶体管工作在丙类状态，作为开关元件，将直流能量转换为交流能量。 - 谐振回路 LC 是晶体管的负载，同时完成调谐选频功能和输出端负载的匹配。 - 输入余弦波时，经过放大后的集电极输出电压呈现为余弦脉冲波形。 **谐振功率放大器特点：** - **高频大功率晶体管：** 能够承受高电压和大电流。 - **调谐回路负载：** 实现调谐选频功能和输出端负载匹配。 - **基极负偏置：** 使电路工作在丙类状态。 - **输出余弦脉冲波形：** 输入余弦波经放大后输出。 #### 五、结论 通过本课程设计的学习与实践，学生不仅能够深入了解高频功率放大器的工作原理和技术要点，还能掌握如何设计和实现高效的高频功率放大器。这对于进一步研究和开发高性能通信系统具有重要意义。