霍文晓，车晓岩，胡新艳

（青岛农业大学理学与信息科学学院，山东青岛266109）

高频功率放大器调制特性分析

霍文晓，车晓岩，胡新艳

（青岛农业大学理学与信息科学学院，山东青岛266109）

高频功率放大器是通信系统发送设备的重要组成部分，在此利用Multisim仿真软件对高频功率放大器的调制特性进行了分析。结果表明基极调制比集电极调制所需的调制功率更小，与理论分析一致；与传统实验相比，仿真分析结果形象直观，容易理解，仿真实验更能激发学生的积极性和主动性。

高频功率放大器；调制特性；Multisim；仿真实验

0 引言

高频功率放大器是通信系统发送设备的重要组成部分[1⁃2]。它的主要功能是可以提供足够大的高频输出功率，以便将信号通过天线辐射出去。高频功率放大器的另外一个作用是可以构成高电平调幅电路，利用调制信号控制放大器的输出，这样既可以实现调幅，又能够兼顾功率和效率。因此，讨论高频功率放大器的调制特性非常必要。

高频实验中经常使用的实验箱虽然也可以实现调幅功能，但是因为工作在高电平的电路很容易损坏[3]，且电路固定，学生所能做的操作仅仅只是连接几根导线，这与课本上的理论知识联系不紧密，无法调动学生的积极性和主动性。使用仿真软件可以很好地克服这个缺点[4⁃5]。仿真实验中，学生自己设计电路，自己确定测量对象或测量方式。这样既加深了对理论知识的理解，又锻炼了学生的动手能力，充分调动学生的学习兴趣和主动性[6⁃8]。

本文使用Multisim仿真软件对高频功率放大器的调制特性进行分析。根据分析结果，设计调幅电路，查看调幅结果，并对两种调幅电路进行比较。

1 高频功率放大器仿真电路

根据高频功率放大器的原理图[2]，设计仿真分析电路如图1所示。

图1 高频功率放大器仿真电路

图中：Vb为基极激励电压，即高频信号输入，振幅为1 V、频率1 MHz；VBB为基极偏置电压，为了保证工作在丙类状态，VBB为-1 V；VCC为集电极偏置电压，大小12 V；谐振回路中电感L取126 μH；电容C取200 pF；负载电阻R取20 kΩ。

2 负载特性

高频功率放大器的负载特性是指在输入信号和偏置电压不变的条件下，放大器的集电极电流电压随负载电阻的变化关系[2]。电阻分别选择0.5 kΩ，1 kΩ，10 kΩ，

20 kΩ，50 kΩ时观察集电极电压波形，如图2所示。

图2 不同负载电阻对应集电极电压波形

从波形图可以观察到当电阻在小于10 kΩ，波形振幅变化较大，说明此时处于欠压状态。当电阻在10～50 kΩ之间变化时，输出波形变化不大，说明此时处于过压状态。

结论：随着负载的增大，电压从迅速增大到基本保持不变，这个过程也就是课本上所说的从欠压进入到过压状态。因此可适当调整负载大小，以保证放大器工作在过压或欠压状态。

3 集电极调制特性

高频功率放大器的集电极调制特性是指在输入信号Vb、负载电阻R、基极偏置电压VBB不变的条件下，功率放大器的输出随电源电压VCC变化关系[9]。

3.1 VCC对工作状态的影响

当输入信号Vb、负载电阻R、基极偏置电压VBB不变时，随VCC的增大，放大器的工作状态从过压区到临界再进入欠压区[2]。若负载电阻R设置为20 kΩ，保证放大器工作在过压状态。集电极电源电压分别选择2 V，12 V，20 V，对应集电极电压输出波形如图3所示。从输出波形可以观察到此时输出波形的频率不变，振幅随VCC呈线性变化。

图3 不同VCC对应集电极电压波形

3.2 集电极调幅电路

根据集电极的调制特性，可以实现集电极调幅，即将调制信号与直流电源VCC串联，并保证放大器工作在过压状态，那么集电极回路输出的高频电压振幅将随调制信号的波形而变化，实现了调幅。仿真电路如图4所示。调制信号为正弦波，频率1 kHz，振幅取3 V，与VCC串联。

通过示波器观察谐振回路输出波形为普通调幅波，如图5所示，包络变化与调制信号频率相同、相位相反。调幅度可通过调整调制信号振幅实现。

图4 集电极调幅电路

图5 集电极调幅波形

4 基极调制特性

高频功率放大器的基极调制特性是指在输入信号Vb、负载电阻R、集电极偏置电压VCC不变的条件下，功率放大器的输出随电源电压VBB变化关系[9]。

4.1 VBB对工作状态的影响

当输入信号Vb、负载电阻R、集电极偏置电压VCC不变时，随VBB的增大，放大器的工作状态从欠压区到临界再进入过压区。VBB取值分别为0.05 V，0.07 V，0.1 V，0.3 V，对应的集电极电压输出如图6所示。

图6 不同VBB对应集电极电压波形

从图6所示输出波形可以观察到此时输出波形频率不变，振幅随VBB成线性变化。当VBB超过0.6 V时，输出电压振幅基本不变，即已进入过压状态。

4.2 基极调幅电路

根据基极调制特性，可以实现基极调幅，即将调制

信号与直流电源VBB串联，并保证放大器工作在欠压状态，那么集电极回路输出的高频电压振幅将随调制信号的变化而变化，于是得到调幅波输出。

仿真电路如图7所示。调制信号为正弦波，频率20 kHz，振幅取40 mV，与VBB串联。VBB取值为0.04 V，以保证放大器工作在欠压状态。为了使观察效果明显，激励信号V4振幅调整为0.5 V。

图7 基极调幅电路

通过示波器观察谐振回路输出波形为普通调幅波，如图8所示。从图中可看包络变化与调制信号频率相同、相位相同。由此可知调幅度可通过调整调制信号振幅实现。

5 结论

本文使用Multisim仿真软件对高频功率放大器的调制特性进行了仿真测试。仿真结果显示了集电极调幅所需要的调制信号振幅较大，即此时需要大功率的调制信号源；而基极调幅所需调制信号振幅很小，此时所需调制功率很小。这也是两种高电平调幅的主要区别。

与实验箱测试相比，使用Multisim进行仿真测试不但锻炼了学生的动手能力，还充分调动了学生的实验积极性，加深了对理论知识的理解，提高了学生的创新主动性。

图8 基极调幅波形

[1]曾兴雯，刘乃安，陈健.高频电路原理与分析[M].4版.西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[2]张肃文.高频电子线路[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]马英.高频电子线路实验箱利弊的思考[J].实验科学与技术，2007，5（2）：93⁃94.

[4]车晓岩，胡新艳.高频电子线路实验教学研究[J].价值工程，2014，33（8）：233⁃234.

[5]车晓岩，霍文晓.高频电子线路实验教学的初步探索[J].科技信息，2014（5）：135⁃137.

[6]任丹.基于Multisim的高频功率放大器特性分析[J].辽东学院学报：自然科学版，2011，18（2）：114⁃117.

[7]朱高中.基于Multisim的高频谐振功率放大器仿真实验[J].实验室研究与探索，2013（2）：92⁃94.

[8]郑文.基于Multisim的高频功率放大器仿真分析[J].实验科学与技术，2014，12（1）：22⁃23.

[9]雄伟，侯传教，梁青，等.Multisim 7电路设计及仿真应用[M].北京：清华大学出版社，2005.

Analysis for modulation characteristics of high⁃frequency power amplifier

HUO Wen⁃xiao，CHE Xiao⁃yan，HU Xin⁃yan
（College of Science and Information，Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，China）

High⁃frequency power amplifier is the important part of the transmitter in communication system.Its modulation characteristics are analyzed with Multisim in this paper.The result indicates that the modulation power for base modulation is less than that of collector modulation.This is consistent with theoretical analysis.The simulation analysis result is more visual and easier to understand than traditional experiment result.Simulation experiment can motivate student more than normal experiment.

high⁃frequency power amplifier；modulation characteristic；Multisim；simulation experiment

TN722⁃34

A

1004⁃373X（2015）03⁃0082⁃03

霍文晓（1980—），女，山东德州人，硕士研究生，讲师。主要从事电子信息技术的教学与研究工作。

车晓岩（1979—），女，山东潍坊人，硕士研究生，讲师。研究方向为电子线路及信号与信息处理。

2014⁃08⁃14

青岛农业大学实验技术研究课题（SYJK13⁃28）

胡新艳（1977—），女，山东青岛人，硕士研究生，讲师。研究方向为信号与信息处理。