用於 AM 發射機功率放大器 (PA) 和緩衝放大器測試的 FMUSER 射頻功率放大器電壓測試台

射頻功率放大器板測試 | FMUSER 的 AM 調試解決方案

 

射頻功率放大器和緩衝放大器是調幅發射機最重要的部件，在早期設計、交付和後期維護中始終發揮著關鍵作用。

 

這些基本組件能夠正確傳輸射頻信號。 根據接收器識別和解碼信號所需的功率水平和強度，任何損壞都可能使廣播發射器出現信號失真、功耗降低等問題。

 

 

對於廣播發射機核心部件的後期檢修和維護，一些重要的檢測設備是必不可少的。 FMUSER 的射頻測量解決方案通過無與倫比的射頻測量性能幫助您驗證您的設計。

 

如何操作

 

主要用於調幅發射機的功放板和緩衝放大板維修後無法確認時的測試。

 

 

功能

 

• 測試台電源為AC220V，面板有電源開關。 內部產生的-5v、40v、30v由內置開關電源提供。
• 測試台上部有緩衝輸出測試Q9接口：J1和J2，功放輸出測試Q9接口：J1和J2，功放電壓指示燈（59C23）。 J1 和 J2 連接到雙集成示波器。
• 測試台下部左側為緩衝放大測試位置，右側為功放板測試。

 

說明

 

• J1：測試電源開關
• S1：放大板測試和緩衝板測試選擇開關
• S3/S4：功放板測試左右開啟信號開啟或關閉選擇。

 

射頻功率放大器：它是什麼以及它是如何工作的？

 

在無線電領域，射頻功率放大器（RF PA）或射頻功率放大器是一種常見的電子設備，用於放大和輸出輸入內容，通常以電壓或功率表示，而射頻功率放大器的作用是提高它把東西“吸收”到一定程度，然後“輸出到外界”。

 

它是如何工作的？

 

通常，射頻功率放大器以電路板的形式內置於發射機中。 當然，射頻功率放大器也可以是一個單獨的設備，通過同軸電纜連接到小功率輸出發射機的輸出端。 由於篇幅有限，如果大家有興趣，歡迎留言評論，我會在未來的某一天更新它:)。

 

射頻功率放大器的意義在於獲得足夠大的射頻輸出功率。 這是因為，首先，在發射機的前端電路中，音頻信號從音源設備通過數據線輸入後，會通過調製轉換成非常微弱的射頻信號，但這些微弱的信號不足以滿足大規模廣播覆蓋。 因此，這些射頻調製信號通過射頻功率放大器經過一系列放大（緩沖級、中間放大級、最終功率放大級），直到放大到足夠的功率，然後通過匹配網絡。 最後，它可以被饋送到天線並輻射出去。

 

對於接收器操作，收發器或發射器-接收器單元可以具有內部或外部發射/接收 (T/R) 開關。 T/R 開關的工作是根據需要將天線切換到發射器或接收器。

 

射頻功率放大器的基本結構是什麼？

 

射頻功率放大器的主要技術指標是輸出功率和效率。 如何提高輸出功率和效率是射頻功率放大器設計目標的核心。

 

射頻功率放大器有規定的工作頻率，選擇的工作頻率必須在其頻率範圍內。 對於 150 兆赫 (MHz) 的工作頻率，145 至 155 MHz 範圍內的射頻功率放大器將是合適的。 頻率範圍為 165 至 175 MHz 的射頻功率放大器將無法在 150 MHz 下工作。

 

通常，在射頻功率放大器中，可以通過LC諧振電路選擇基頻或一定的諧波，實現無失真放大。 除此之外，輸出中的諧波分量應盡可能小，以免干擾其他通道。

 

RF功率放大器電路可以使用晶體管或集成電路來產生放大。 在射頻功率放大器設計中，目標是具有足夠的放大率以產生所需的輸出功率，同時允許發射器和天饋線與天線本身之間存在暫時且小的失配。 天饋線和天線本身的阻抗通常為50歐姆。

 

理想情況下，天線和饋線組合將在工作頻率下呈現純電阻阻抗。

為什麼需要射頻功率放大器？

 

作為發射系統的主要部分，射頻功率放大器的重要性不言而喻。 我們都知道，一台專業的廣播發射機往往包括以下幾部分：

 

1. 硬殼：通常採用鋁合金製成，價格較高。
2. 音頻輸入板：主要用於獲取音源的信號輸入，通過音頻線（如XLR、3.45MM等）連接發射機和音源。 音頻輸入板通常放置在發射機的後面板上，為長方體，縱橫比約為 4:1。
3. 電源：用於供電。 不同的國家有不同的供電標準，如110V、220V等。在一些大型電台，根據標準，常見的供電是3相4線製（380V/50Hz）。 按標準也是工業用地，有別於民用用電標準。
4. 控制面板和調製器：通常位於發射機前面板上最顯眼的位置，由安裝面板和一些功能鍵（旋鈕、控制鍵、顯示屏等）組成，主要用於轉換音頻輸入信號進入射頻信號（非常微弱）。
5. 射頻功放：通常指功放板，主要用於放大調製部分輸入的微弱射頻信號。 它由一塊PCB和一系列複雜的元件蝕刻（如射頻輸入線、功放芯片、濾波器等）組成，並通過射頻輸出接口與天饋系統相連。
6. 電源和風扇：規格由變送器製造商制定，主要用於供電和散熱

 

其中，射頻功放是發射機中最核心、最昂貴、最容易燒毀的部分，這主要取決於它的工作原理：射頻功放的輸出再接外接天線。

 

大多數天線都可以進行調諧，以便在與饋線結合使用時，為發射器提供最理想的阻抗。 從發射器到天線的最大功率傳輸需要這種阻抗匹配。 天線在頻率範圍內的特性略有不同。 一項重要的測試是確保從天線到饋線並返回到發射機的反射能量足夠低。 當阻抗失配過高時，發送到天線的射頻能量會返回到發射機，產生高駐波比（SWR），導致發射功率停留在射頻功率放大器中，導致過熱甚至損壞有源成分。

 

如果功放能有好的性能，那麼它可以貢獻更多，這體現了它自身的“價值”，但是如果功放出現了一定的問題，那麼在開始工作或工作一段時間後，不僅不能不再提供任何“貢獻”，但可能會有一些意想不到的“衝擊”。 這樣的“衝擊”對於外界或放大器本身來說都是災難性的。

 

緩衝放大器：它是什麼以及它是如何工作的？

 

緩衝放大器用於 AM 發射機。

 

AM 發射器由一個振盪器級、一個緩衝器和乘法器級、一個驅動器級和一個調製器級組成，其中主振盪器為緩衝放大器供電，然後是緩沖級。

 

振盪器旁邊的級稱為緩衝器或緩衝放大器（有時簡稱為緩衝器）——之所以如此命名，是因為它將振盪器與功率放大器隔離開來。

 

根據維基百科，緩衝放大器是一種放大器，它提供從一個電路到另一個電路的電阻抗轉換，以保護信號源免受負載可能產生的任何電流（或電壓，用於電流緩衝器）的影響。

 

實際上，在發射端，緩衝放大器是用來將主振盪器與發射器的其他級隔離開來的，沒有緩衝器，一旦功率放大器發生變化，它就會反射回振盪器並使其改變頻率，而如果振盪發射機改變頻率，接收機將與發射機失去聯繫，接收到不完整的信息。

 

它是如何工作的？

 

AM 發射機中的主振盪器產生穩定的次諧波載波頻率。 晶體振盪器用於產生這種穩定的次諧波振盪。 之後，通過諧波發生器將頻率提高到所需值。 載波頻率應該非常穩定。 該頻率的任何變化都可能對其他發射站造成乾擾。 結果，接收機將接受來自多個發射機的節目。

 

在主振盪器頻率下提供高輸入阻抗的調諧放大器是緩衝放大器。 它有助於防止負載電流發生任何變化。 由於其在主振盪器工作頻率下的高輸入阻抗，變化不會影響主振盪器。 因此，緩衝放大器將主振盪器與其他級隔離，從而負載效應不會改變主振盪器的頻率。

 

射頻功率放大器測試台：它是什麼以及它是如何工作的

 

術語“測試台”使用數字設計中的硬件描述語言來描述實例化 DUT 並運行測試的測試代碼。

 

試驗台

 

測試台或測試工作台是用於驗證設計或模型的正確性或健全性的環境。

 

該術語起源於電子設備的測試，工程師坐在實驗室工作台上，手持示波器、萬用表、烙鐵、剪線鉗等測量和操作工具，手動驗證被測設備的正確性（待測物）。

 

在軟件或固件或硬件工程的上下文中，測試台是在軟件和硬件工具的幫助下測試正在開發的產品的環境。 在某些情況下，軟件可能需要稍作修改才能與測試平台一起使用，但仔細的編碼可確保更改可以輕鬆撤消並且不會引入錯誤。

 

“測試台”的另一個含義是一個隔離的、受控的環境，與生產環境非常相似，但對公眾、客戶等既不隱藏也不可見。因此，由於不涉及最終用戶，因此進行更改是安全的。

 

被測射頻設備 (DUT)

 

被測設備 (DUT) 是經過測試以確定性能和熟練程度的設備。 DUT 也可以是被稱為待測單元 (UUT) 的更大模塊或單元的組件。 檢查 DUT 是否存在缺陷，以確保設備正常工作。 該測試旨在防止損壞的設備進入市場，這也可以降低製造成本。

 

被測設備 (DUT)，也稱為被測設備 (EUT) 和被測單元 (UUT)，是一種製成品檢查，在首次製造時或在其生命週期後期進行測試，作為正在進行的功能測試的一部分和校準。 這可以包括維修後測試，以確定產品是否符合原始產品規格。

 

在半導體測試中，被測器件是晶圓或最終封裝部件上的管芯。 使用連接系統，將組件連接到自動或手動測試設備。 然後測試設備為組件供電，提供激勵信號，並測量和評估設備的輸出。 以這種方式，測試儀確定被測特定設備是否符合設備規範。

 

一般而言，RF DUT 可以是具有任意組合和數量的模擬和 RF 組件、晶體管、電阻器、電容器等的電路設計，適合使用 Agilent 電路包絡模擬器進行仿真。 更複雜的射頻電路將需要更多時間來模擬和消耗更多內存。

 

測試台仿真時間和內存要求可以被認為是基準測試台測量與最簡單射頻電路的要求以及感興趣的射頻 DUT 的電路包絡仿真要求的組合。

 

連接到無線測試台的 RF DUT 通常可以與測試台一起使用，通過設置測試台參數來執行默認測量。 默認測量參數設置可用於典型的 RF DUT：

 

• 需要具有恆定射頻載波頻率的輸入 (RF) 信號。 測試台射頻信號源的輸出不會產生射頻載波頻率隨時間變化的射頻信號。 然而，測試台將支持包含射頻載波相位和頻率調製的輸出信號，這可以通過在恆定射頻載波頻率下適當的 I 和 Q 包絡變化來表示。
• 產生具有恆定射頻載波頻率的輸出信號。 測試台輸入信號不得包含頻率隨時間變化的載波頻率。 但是，測試台將支持包含射頻載波相位噪聲或射頻載波隨時間變化的多普勒頻移的輸入信號。 這些信號擾動預計由恆定射頻載波頻率下的合適 I 和 Q 包絡變化來表示。
• 需要來自具有 50 歐姆源電阻的信號發生器的輸入信號。
• 需要沒有光譜鏡像的輸入信號。
• 生成一個需要 50 歐姆外部負載電阻的輸出信號。
• 產生沒有光譜鏡像的輸出信號。
• 依靠測試台對 RF DUT 輸出信號執行任何與測量相關的帶通信號濾波。

 

您應該知道的 AM 發射機基礎知識

 

發射 AM 信號的發射機稱為 AM 發射機。 這些發射機用於 AM 廣播的中波 (MW) 和短波 (SW) 頻段。 MW 波段的頻率介於 550 kHz 和 1650 kHz 之間，SW 波段的頻率介於 3 MHz 和 30 MHz 之間。

 

基於發射功率使用的兩種類型的 AM 發射機是：

 

1. 高水平
2. 低級

 

高級發射機使用高級調製，低級發射機使用低級調製。 兩種調製方案之間的選擇取決於 AM 發射機的發射功率。 在其發射功率可能在千瓦數量級的廣播發射機中，使用了高級調製。 在只需要幾瓦發射功率的低功率發射機中，使用了低電平調製。

 

高低位變送器

 

下圖顯示了高電平和低電平發送器的框圖。 兩種發射機的基本區別在於載波和調製信號的功率放大。

 

圖 (a) 顯示了高級 AM 發射機的框圖。

 

圖（a）是為音頻傳輸繪製的。 在高電平傳輸中，載波和調製信號的功率在被施加到調製器級之前被放大，如圖（a）所示。 在低電平調製中，調製器級的兩個輸入信號的功率沒有被放大。 所需的發射功率是從發射器的最後一級，即 C 類功率放大器獲得的。

 

圖（a）的部分是：

 

1. 載波振盪器
2. 緩衝放大器
3. 倍頻器
4. 功率放大器
5. 音頻鏈
6. 調製 C 類功率放大器
7. 載波振盪器

 

載波振盪器產生射頻範圍內的載波信號。 載波的頻率總是很高。 由於難以產生具有良好頻率穩定性的高頻，因此載波振盪器產生具有所需載波頻率的約數。 該子倍頻程由乘法器級相乘以獲得所需的載波頻率。 此外，在這個階段可以使用晶體振盪器來產生具有最佳頻率穩定性的低頻載波。 然後，倍頻器級將載波頻率增加到其所需值。

 

緩衝放大器

 

緩衝放大器的目的是雙重的。 它首先將載波振盪器的輸出阻抗與倍頻器的輸入阻抗匹配，即載波振盪器的下一級。 然後它隔離載波振盪器和倍頻器。

 

這是必要的，這樣乘法器就不會從載波振盪器中汲取大電流。 如果發生這種情況，載波振盪器的頻率將不穩定。

 

倍頻器

 

由載波振盪器產生的載波信號的子倍頻現在通過緩衝放大器施加到倍頻器。 這個階段也被稱為諧波發生器。 倍頻器產生載波振盪器頻率的高次諧波。 倍頻器是調諧到需要傳輸的載波頻率的調諧電路。

 

功率放大器

 

載波信號的功率然後在功率放大器級中被放大。 這是對高電平發射機的基本要求。 C 類功率放大器在其輸出端提供載波信號的大功率電流脈衝。

音頻鏈

 

要傳輸的音頻信號是從麥克風獲得的，如圖（a）所示。 音頻驅動放大器放大該信號的電壓。 這種放大是驅動音頻功率放大器所必需的。 接下來，A 類或 B 類功率放大器放大音頻信號的功率。

 

調製 C 類放大器

 

這是發射機的輸出級。 調製後的音頻信號和載波信號經過功率放大後加到這個調製級。 調製發生在這個階段。 C類放大器還將AM信號的功率放大到重新獲得的發射功率。 該信號最終被傳遞到天線，天線將信號輻射到傳輸空間。

 

圖 (b)：低電平 AM 發送器框圖

 

圖 (b) 所示的低電平 AM 發射機與高電平發射機相似，只是載波和音頻信號的功率沒有放大。 這兩個信號直接應用於調製的 C 類功率放大器。

 

調製發生在這個階段，調製信號的功率被放大到所需的發射功率電平。 然後發射天線發射信號。

 

輸出級和天線的耦合

 

調製 C 類功率放大器的輸出級將信號饋送到發射天線。 為了將最大功率從輸出級傳輸到天線，兩個部分的阻抗必須匹配。 為此，需要匹配網絡。 兩者之間的匹配應該在所有發射頻率上都是完美的。 由於需要在不同頻率下進行匹配，因此在匹配網絡中使用了在不同頻率下提供不同阻抗的電感和電容。

 

必須使用這些無源元件構建匹配網絡。 如下圖（c）所示。

 

圖 (c)：雙 Pi 匹配網絡

 

用於耦合發射機輸出級和天線的匹配網絡稱為雙π網絡。 該網絡如圖（c）所示。 它由兩個電感器 L1 和 L2 以及兩個電容器 C1 和 C2 組成。 選擇這些組件的值以使網絡的輸入阻抗介於 1 和 1' 之間。 圖 (c) 顯示匹配發射器輸出級的輸出阻抗。 此外，網絡的輸出阻抗與天線的阻抗相匹配。

 

雙π匹配網絡還濾除出現在發射器最後一級輸出端的不需要的頻率分量。 調製 C 類功率放大器的輸出可能包含非常不希望的高次諧波，例如二次和三次諧波。 匹配網絡的頻率響應被設置為完全抑制這些不需要的高次諧波，並且只有所需的信號耦合到天線。