调频发射机

淮海工学院

课程设计报告书

课程名称： 题 目： 系 （院）： 学 期： 专业班级： 姓 名： 学 号：

变容二极管直接调频电路设计

1 引言

直接调频是用调制信号直接控制振荡器的振荡频率的电路。直接调频电路的核心部分就是振荡器和控制机制。调频信号的基本特点是它的瞬时频率按调制信号规律变化，因而，一种最容易想到的方法就是用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其不失真地反映调制信号的变化规律。通常将这种直接调变振荡器频率的方法称为直接调频法。采取这种方法时，被控的振荡器可以是产生正弦波的LC 振荡器和晶体振荡器，也可以是产生非正弦波的张弛振荡器。前者产生调频正弦波，后者产生调频非正弦波（例如调频方波，调频三角波等），如果需要，可通过滤波等方法将调频非正弦波变换为调频正弦波。

2 设计任务

设计一个完整的小功率变容二极管直接调频发射机系统，直接调频发射系统框图主要由调频振荡器、缓冲隔离器、倍频器、高频功率放大器、调制信号发生器等电路组成。如下图所示：

图1直接调频发射系统原理框图

3 主要性能要求

主振频率

V o >1V f 0=10MHZ，频率稳定度∆f m >10kHz ∆f o /f o ≤10-3/小时，主振级的输出电压，最大频偏。输出负载 RL=75Ω，发射功率（输出负载 RL上的功率）P0 >50mW，调制频率F=500Hz～3kHz ，总效率ηA>50%。

4 课程设计模块

1调频振荡器

2缓冲隔离级

3倍频器

4高频功率放大器

5调制信号发生器

5 设计内容

5.1调频振荡器

调频的实现方法大致有两类，即直接调频和间接调频。直接调频的原理是利用调制信号直接线性的改变载波振荡的瞬时频率。如果受控振荡器是产生正弦波的LC 振荡器，则振荡频率主要取决于写真贿赂的电感和电容。将受到调制信号控制的可变电抗器件与谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信号的规律变化，实现直接调频。本设计将以变容二极管来实现直接调频功能。可变电抗器件很多，其中应用最广泛的是变容二极管。作为电压控制的可变电容原件，它工作效率高、损耗小和使用方便等优点。

变容二极管是根据PN 结的结电容随反向电压大小而变化的原理设计的一种二极管。它的极间结构、伏安特性与一般检波二极管没什么多大的差别。不同的是再加反向偏压时，变容二极管呈现较大的结电容。这个结电容的大小能灵敏的随反向偏压而变化。正是利用了变容二极管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容原件，则回路的电容量会随调制信号电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。

调频振荡器在产生稳定的载波信号的同时，完成调频功能，是调频发射系统的核心电路，不可缺少。任务要求中心频率的稳定性不高（10-3 /分钟），用 LC 振荡器就可达到；再考虑到电路的简单易实现，所以，选择采用 LC 调频振荡器、变容二极管直接调频电路。

图2 调频振荡器

LC振荡电路分为电容三点式振荡电路和电感三点式振荡电路。如图2为电容三点式振荡电路，图中C C C b R b 1R b 2R e , 和构成分压式偏为耦合电容，为旁路电容，电阻

压，为电路提供直流偏压，R L 为输出负载电阻。电容C 1，C 2和电感L 为并联谐振回路。

图3 LC 振荡电路

图3为电感三点式振荡电路，

流，防止电感L 2将偏执阻R e C c 为耦合电容，C b 为旁路电容，电容C e 用做隔直短路，在直流通路中R c 为负载电阻。在晶体振荡器中实现调频，可获得较高的中心频率稳定度，但相对频偏很小。

C j (0)

图4 LC正弦振荡器中的谐振回路

（1）变容管作为振荡回路的总电容（全部）的直接调频电路。

图4为LC 正弦振荡器中的谐振回路。图中C j 代表变容管的结电容，它与L 共同构成振荡器的振荡回路，振荡器的振荡频率近似等于回路的谐振频率，即

1（5.1.1） ωosc ≈ω0=LC j C j v 已知变容管的结电容随外加电压

()(v )=C j 0

n C j （5.1.2） v ⎫⎛1- ⎪ ⎝V B ⎭

式中，V B 是PN 结的内建电位差, C j (0) 为v =0时的结电容，n 为变容指数，其值取决于PN 结的工艺结构。

调频波的相对角频偏值与m 成正比（即与V Ωm 成正比），是直接调频电路的一个重

w c 要特性。当m 选定，即调频波的相对角频偏值一定时，提高

角频偏值∆w m 可以增大调频波的最大。

图5

（2）变容管部分介入振荡回路的直接调频电路

变容管作为振荡回路总电容时，它的最大优点是调制信号对振荡频率的调变能力强，即调频灵敏度高，较小的m 值就能产生较大的相对频偏。但同时，因为温度等外界因素变化引起V Q 变化时，造成载波频率的不稳定也必然相对的增大，而且振荡回路上的高频电压又全部加到变容管上。为了克服这些缺点，在直接调频的LC 正弦振荡

电路中，一般采用图5所示的变容管部分接入的振荡回路。图中，变容管先和串接，再和并接。回路总电容为 C 2C j C ∑=C 1+C 2+C j （5.1.3）

当C 1和C 2确定后，可求的变容管部分接入时直接调频电路提供的最大角频偏为：

n mw c ∆w =⋅m （5-1-4） 2p 1 w c =⎛C 2C jQ ⎫式中（5.1.5） ⎪L C 1+ C 2+C jQ ⎪ ⎝⎭

p =(1+p 1)(1+p 2+p 1p 2) （5.1.6）

C jQ C 1p =p =12其中，C C 2jQ

由式（5.1.6）可知，p 值恒大于1。当C jQ 一定时，C 2越小，p 1越大；C 1越大 p 2越大。

5.2缓冲隔离级

缓冲隔离级将调频振荡器与功放级隔离，以减小后级对振荡器频率稳定度及振荡波形的影响。是否选择该单元电路，主要根据电路对稳定性要求的高低。一般情况下，需要选择该电路。缓冲级通常采用射极跟随 器电路。

射极跟随器又称射极输出器，简称射随器或跟随器。是一种共集接法的电路。它从基极输入信号，从射极输出信号，它具有高输入阻抗，低输出阻抗，输入信号宇输出信号相位相同的特点。射随器还具有电流和功率放大的作用。

5.3倍频器

倍频器实质上就是一种输出信号等于输入信号频率整数倍的电路。常用的二倍频和三倍频器。在手持移动电话中倍频器的主要作用是为了提升载波信号的频率，使之工作于对应的信道，同时经倍频器处理后，调频信号的频偏也可成倍提高。即提升了调频调制的灵敏度，这样可以降低对调制信号的放大要求。采用倍频器的另一个好处是：可以使载波主振荡器与高频放大器隔离，减小高频寄生耦合，有得于减少高频自激现象的产生，提高整机工作的稳定性。倍频器将调频振荡器产生的信号频率加倍，以达到发射机载波频率的要求，这样可以降低振荡器的工作频率，提高电路的频率稳定度。如果振荡器的振荡频率可以满足发射机载波频率的要求，就可省去此电路。若输入频率为f1，则输出频率为f0＝nf1，系数n 为任意正整数，称倍频次数

5.4高频功率放大器

5.4.1高频功率放大器的主要功能

高频功率放大器的主要功能是用小信号的高频输入信号去控制高频高铝放大器，将直流电源供给的能量转换为大功率高频能量输出。它主要应用于各种无线电发射机中。选择高频功率放大器时应考虑几个因素，如要使负载（天线）上获得令人满意的发射功率，而且整机效率较高，应选择丙类功率放大器。末级功放的功率增益不能太高，否则电路性能不稳定，容易产生自激。因此要根据发射机各部分的作用，适当地合理分配功率增益。功率推动级为末级功放提供激励功率。可以选择在弱过压工作状态下的丙类功放，或甲类功放。

5.4.2谐振功率放大器与小信号谐振放大器的关系

（1）相同之处是：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负载均为谐振回路。

（2）不同之处是：为激励信号幅度大小不同，放大器工作点不同，晶体管动态范围不同。

5.4.3高频谐振功率放大器性能分析：各级电压对工作状态的影响

（1）欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。

（2）过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但是输出功率有所下降，发射机的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。

（3）临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态，发射机的末级常设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状态为例。

5.4.4 高频功放和其他放大器

高频功放和其他放大器一样，其输入和输出端的管外电路均由直流馈线电路和匹配网络两部分组成。谐振功放的实际电路包括有馈电电路、输入输出端的匹配电路。无论是直流电路还是高频电路，都应符合三点原则

（1）对直流电源不能被短路，直流电源必须由通路，以保证将能加到集电极

（2）负载电压基波不能短路，且电流也必须由通路，以保证回路输出有高频功率

（3）高频电流不能通过直流电源，以免产生寄生耦合与高频损耗。

6 整体电路分析

图6

电路分析：振荡管T 的电源电压由±15V 提供，变容管反向偏置电压由V DD 经R 1, R 2分压后提供，振荡回路C 1, C 2和L 2组成，电路为变容管部分接入的电容三点式振荡电路。V Ω调制C j 使电路输出调频波。

解答：已知主振频率f 0=10MHZ , 频率稳定度∆f 010-3≤，主振级的输出电压f 0

V 0>1V ，最大频偏∆f m >10KHZ ，输出负载R L =75Ω，发射功率（输出负载R L 上的功率）P 0>50mw ，调制频率F =500HZ ~3KHZ ，总效率ηA >50%。

C 2C j C ∑=C 1+根据回路总电容式子（5-1-3），即可得： C 2+C j

C ∑=C 1//C 2//C jQ =1pF //0. 5pF //20pF =0. 328pF L 2=11==7. 7⨯10-3H 22w 0C ∑2πf 0C ∑

P =1+P 2=61 已知C 1=1pF ，C 2=0. 5pF ，则P 1=C jQ //C 1//C 2=60，P 2=0，

∆f m =V ∆f nmf c =1. 314MHZ ，m =Ωm =0. 15，n =3, S F =m =1. 341MHZ V n +V Q V Ωm 2p

7 整体电路PCB 版

图7PCB 板电路图

8 心得体会

通过这次课程设计不仅让我学习到了很多知识还增长了不少经验。一开始只是认为只要把书本上的原理、公式等等一系列前人留下来的结论背住了，我就是明白了，就是可以运用到生活中的。可是我现在才明白：课程设计原来就是要把脑子里的东西倒出来，通过自己的努力实践出来，和学习是一种相反又相承的关系。课程设计比学习难，但这是一种主动求学的过程，是加深我们对知识了解的过程。在问题中我们寻求答案，通过自己的努力收获知识，收获喜悦。课程设计中，又不知所措的迷雾出现，也有拨开云雾的喜悦相伴。

我们组这次的课程设计是变容二极管直接调频电路的设计。这个课题深深的与我们所学的知识相结合。课题不仅要求我们平时对书本知识的了解要深刻，还要有一定的领悟能力。我们本着对实验应用的精神，最终做完这次课程设计。从中我认识到了平时学习的科目的重要性，从而也为我今后的学习指明了方向，大大提升了我对电子技术学习的兴趣。同时设计中我还尝试应用了PROTEL 99SE 软件，现在不仅可以较为

熟练的应用软件，还能制作一些电路原理图，并进行仿真。这样也为我今后设计的学习提供了有效的工具。在这里也要感谢我们小组的其他成员以及老师的帮助，没有他们的帮助我是不会很快的很好的完成这次设计。

参考文献

[1]樊昌信, 曹丽娜《通信原理》[第六版].国防工业出版社，2006

[2]董尚斌《低频电子线路》. 清华大学出版社，2007

[3]陈晓文《电子线路课程设计》. 电子工业出版社，2004

[4]张肃文《高频电子线路》[第三版].高等教育出版社，2005

[5]胡烨，姚鹏冀，江思敏《Protel99SE 电路设计与仿真教程》. 机械工业出版社，2010