电子/发射机设计

无线电发射机设计是一个复杂的主题，可以分解成一系列较小的主题。

频率合成和频率倍增

合成

固定频率系统

对于固定频率发射机，一种常用的方法是使用石英晶体谐振器在晶体振荡器中固定频率。对于需要能够改变频率的发射机，可以使用几种方法。

可变频率系统

• 晶体阵列 - 这种方法使用多个振荡器，每个振荡器调谐到不同的固定频率。
• 可变频率振荡器 (VFO)
• 锁相环 (PLL) 频率合成器

倍增

对于 VHF 发射机，经常无法在最终输出频率上运行晶体控制或可变频率振荡器。另外，出于频率稳定性等原因，最好将自由运行振荡器的频率倍增到所需的最终频率。

如果放大器级输出调谐到驱动级的频率的倍数，则该级被优化以产生比线性放大器中更大的谐波输出。在推挽级中，输出将只包含偶数谐波。这是因为在这个电路中会产生基波和奇数谐波的电流（如果移除一个电子管）会被第二个电子管抵消。请注意，在这些图中，为了清晰起见，偏置电源和中和电路已省略。在一个真实的系统中，很可能使用四极管，因为四极管中的板极到栅极电容较低，因此使该级不太可能不稳定。

这里在推挽级中，输出将只包含奇数谐波，因为它们被抵消了。

频率混合和调制

许多发射机的任务是使用载波传输某种形式的信息。这个过程称为调制。有许多种射频调制，调制的选择通常取决于要传输的信息类型。

例如，音频信息在时间和值上是连续的，并且按常数缩放（即信号反转，音量控制）是可以接受的，因此 AM 和 FM 传输有效。但对于数字通信，信号在时间和值上是离散的，信号反转是不可接受的，因此 AM 和 FM （单独）并不令人满意。对于数字通信，诸如频率移位键控 (FSK) 或开关键控 (OOK) 在 FM 上的调制将更好。

AM 模式

在许多情况下，载波与另一个电信号混合以在载波上施加信息。这发生在调幅 (AM) 中。

低电平和高电平

低电平

这里使用一个小的音频级来调制一个低功率级，然后使用一个线性射频放大器放大该级的输出。

• 优点

使用线性射频放大器的优点是，较小的早期级可以被调制，这只需要一个小的音频放大器来驱动调制器。

• 缺点

这种系统的最大缺点是放大器链效率较低，因为它必须是线性的才能保持调制。因此，不能使用 C 类放大器。

一种将低电平调制的优点与 C 类功率放大器链的效率结合起来的方法是，安排一个反馈系统来补偿 AM 包络的重大失真。发射机输出端的简单检波器（可以只是一個松散耦合的二极管）恢复音频信号，并将其用作对音频调制级的负反馈。那么整个链条在实际调制方面就起到了线性放大器的作用，尽管射频放大器本身仍然保持 C 类的效率。这种方法广泛用于实际的中功率发射机，例如 AM 无线电电话。

高电平

• 优点

在广播 AM 发射机中使用 C 类放大器的优点之一是，只需要调制最后一级，所有早期级都可以以恒定电平驱动。这些 C 类级能够以较小的直流电源输入为最后一级产生驱动。但是，在许多设计中，为了获得更好的 AM 质量，倒数第二级射频级需要与最后一级一样进行调制。

• 缺点

调制级需要一个大的音频放大器，至少要等于发射机输出本身的功率。传统上，调制是使用音频变压器实现的，音频变压器可能很大。直接耦合从音频放大器也是可能的（称为串联级配置），但这通常需要相当高的直流电源电压（例如 30V 或更高），不适合移动设备。

AM 调制器类型

许多不同的电路已被用于 AM。虽然使用固态电子器件完全可以创建良好的设计，但这里显示了电子管电路。总的来说，电子管能够轻松产生远远超过固态电子器件所能实现的射频功率。大多数高功率广播电台仍然使用电子管。

板式 AM 调制器

在板极调制系统中，提供给级联的电压发生变化。由于可用输出功率是电源电压的函数，因此输出功率被调制。这可以通过使用变压器来改变阳极（板极）电压来实现。变压器方法的优点是音频功率可以提供给射频级并转换为射频功率。

使用变压器的阳极调制。四极管接收阳极电源（和屏栅电源），该电源通过变压器进行调制。电阻 R1 设置栅极偏置，输入和输出都是调谐 LC 电路，通过感应耦合接入。

串联调制幅度调制级的示例。四极管接收阳极电源（和屏栅电源），该电源由调制管进行调制。电阻 VR1 设置调制管的栅极偏置，射频输入（调谐栅极）和输出都是调谐 LC 电路，通过感应耦合接入。

当顶部的管子导通更多时，较低管子（射频管）的阳极和阴极之间的电位差会增加。这两个管子可以被认为是电位器中的两个电阻。

屏栅 AM 调制器

在稳态条件下（没有音频驱动），该级将是一个简单的射频放大器，其中栅极偏置由阴极电流设置。当该级被调制时，屏栅电位发生变化，从而改变该级的增益。

与 AM 相关的其他模式

几种 AM 的衍生形式被广泛使用。它们是

单边带调制

(SSB，或 SSB-AM 单边带全载波调制)，非常类似于单边带抑制载波调制（SSB-SC）

滤波器方法

使用平衡混频器生成双边带信号，然后将其通过非常窄的带通滤波器，只留下一个边带。按照惯例，在通信系统中通常使用上边带（USB），但在业余无线电中，当载波频率低于 10 MHz 时，通常使用下边带（LSB）。

相移方法

相移法是另一种生成单边带信号的方法。该方法的一个弱点是需要一个网络，该网络在整个音频频谱中对音频信号施加恒定的 90^o 相移。通过降低音频带宽，可以更容易地设计相移网络。

假设音频是一个单一的正弦波 E = E^o sine (ωt)

音频信号通过相移网络，得到两个相同的信号，相差 90^o。

因此，由于音频输入是一个单一的正弦波，输出将是

E = E^o sine (ωt)

以及

E = E^o cosine (ωt)

这些音频输出与载波在非线性混频器中混合，其中一个混频器的载波驱动信号相移 90^o。这些混频器的输出在一个线性电路中组合，得到 SSB 信号。

残留边带调制

w:残留边带调制（VSB，或 VSB-AM）是一种调制系统类型，常用于电视系统，它是一种经过滤波器去除一个边带的普通 AM。

摩尔斯

严格来说，常用的“AM”是双边带全载波。摩尔斯电码通常使用未调制载波（连续波）的开关键控来发送，这可以看作是一种 AM 模式。

FM 模式

直接 FM

直接 FM（真频率调制）是指改变振荡器的频率，以在载波上施加调制。这可以通过在晶体控制振荡器中使用电压控制电容（可变电容二极管）来实现。然后使用频率倍频级将振荡器的频率倍增，或者使用混频级将其上移到发射机的输出频率。

间接 FM

间接 FM 使用可变电容二极管在调谐电路中施加相移（电压控制），该电路接收普通载波。这被称为相位调制，从相位调制级输出的调制信号可以用 FM 接收机理解，但为了获得良好的音频质量，施加到相位调制级的音频信号需要经过预加重。

这是一个固态电路，右侧的射频驱动施加到晶体管的基极，连接到集电极的储能电路 (LC) 通过电容包含一对可变电容二极管。当施加到可变电容的电压发生变化时，输出的相移也会发生变化。

• w:ΣΔ 调制

射频功率放大器

电子管

对于高功率系统，通常使用电子管，请参阅电子管射频放大器了解电子管射频功率级的详细工作原理。

电子管的优点

• 适用于高功率系统
• 电气上非常坚固，它们可以承受会导致双极晶体管系统在毫秒内损坏的过载，时间长达数分钟。

电子管的缺点

• 阴极需要加热电源
• 阳极需要高电压（存在死亡威胁）
• 电子管的工作寿命比固态器件短，因为加热器容易失效

固态

对于低功率和中功率系统，通常使用固态功率级。不幸的是，对于高功率系统，它们的成本更高，每 瓦 的输出功率 比电子管系统更高。

将发射机连接到天线

绝大多数现代设备被设计为使用特定的阻抗，通常为 50 欧姆，通过同轴电缆驱动阻性负载。为了将天线连接到这种同轴电缆传输线，可能需要匹配网络和/或平衡器。通常使用驻波比 (SWR) 表和/或天线分析仪来检查天线系统与传输线 (馈线) 之间的匹配情况。

有关匹配网络和平衡器的详细信息，请参阅 w:天线调谐器 和 w:平衡器。

电磁兼容性很重要

虽然本节是从无线电爱好者的角度，针对电视干扰（无线电发射机干扰）写的，但它适用于所有无线电发射机的构造和使用，以及其他没有辐射这些高射频功率的意图，但会产生高射频功率的电子设备。例如，一台介电加热器内部可能包含一个 2000 瓦 27 兆赫的电源，如果机器按预期工作，那么所有这些射频功率都不会泄漏出来。但是，如果设备出现故障，那么在工作时，射频会泄漏出来，它现在就变成了发射机。同样，计算机也是射频设备，如果外壳制作不当，计算机就会在甚高频 (VHF) 频段辐射。例如，如果你尝试在你的办公桌旁调谐到一个微弱的调频广播电台（88 至 108 兆赫，II 波段），你可能会在打开你的电脑时失去接收。这里不考虑那些不是为了产生射频而产生的设备，例如开关触点上的火花产生的射频，有关此类事项的考虑，请参阅电视干扰（电气干扰）以了解更多信息。

射频泄漏（射频屏蔽缺陷）

所有使用射频电子设备的设备都应该放在一个屏蔽金属箱内，进出金属箱的所有连接都应该经过滤波，以防止无线电信号进入或离开。对携带直流电源、50 赫兹交流连接、音频和控制信号的线使用馈通电容是一种常见且有效的方法。这是一种安装在屏蔽体上的电容，电容的一个端子是其金属外壳，它接触到屏蔽箱的屏蔽体，而电容的另外两个端子位于屏蔽体的两侧。馈通电容可以看作是一个金属棒，它有一个介电套管，套管又有一个金属涂层。

除了馈通电容之外，还可以使用电阻器或射频扼流圈来增加引线的滤波效果。在发射机中，阻止射频通过任何引线（例如电源、麦克风或控制连接）进入发射机至关重要。如果射频以这种方式进入发射机，则会发生一种被称为“马达船”的不稳定现象。“马达船”是自我造成的电磁兼容性问题的一个例子。

如果怀疑发射机是导致电视干扰问题的原因，那么应该将发射机连接到一个假负载上，假负载是一个位于屏蔽箱或罐中的电阻器，它将允许发射机产生无线电信号，而不会将这些信号发送到天线。如果发射机在测试期间没有造成干扰，那么可以安全地假设必须从天线天线辐射信号才能造成问题。如果发射机在测试期间确实造成干扰，则说明存在一条路径，射频功率可以通过该路径泄漏出设备，这可能是由于屏蔽不良造成的。这是一个罕见但隐蔽的问题，必须对其进行测试。

• • 你最有可能在自制设备或经过改装的设备上看到这种泄漏。你也可以观察到微波炉中泄漏的射频。

杂散发射

• 在无线电技术的早期发展中，人们认识到发射机发射的信号必须是“纯净”的。例如，火花发射机很快就被禁止了，因为它们在频率上的输出范围很广。在现代设备中，主要有三种类型的杂散发射。

• 杂散发射是指除所需信号外，从发射机发出的任何信号。杂散发射包括谐波、没有被完全抑制的带外混频器产品以及来自发射机内部本机振荡器和其他系统的泄漏。

谐波

这些是发射机工作频率的倍数，即使发射机使用完美的正弦波驱动，它们也可能在发射机的一个级中产生，因为现实生活中没有放大器是完全线性的。最好在早期阶段将这些谐波设计出来。例如，一个由两个四极管连接到阳极槽谐振 LC 回路组成的推挽放大器，该回路的线圈在中心连接到高压直流电源（也是射频接地），它只会产生基波和奇次谐波的信号。

注意，B+ 是阳极电源，C- 是栅极偏置。虽然这里所示的电路使用四极管（例如 2 x 4CX250B），但许多设计使用固态半导体器件（例如 MOSFET）。注意，NC 是中和电容。

这是一个稍差的设计，它只有一个四极管，虽然使用这种电路已经做出了非常好的设计，但它的潜在缺陷比上面的电路更多。

注意，B+ 是阳极电源，C- 是栅极偏置。虽然这里所示的电路使用四极管（例如 4CX250B），但许多设计使用固态半导体器件（例如 MOSFET）。

除了对放大器级进行良好设计外，发射机的输出还应该使用低通滤波器进行滤波，以降低谐波的水平。

可以使用射频频谱分析仪（昂贵）或吸收波长计（便宜）来测试谐波。如果发现与接收机所需信号频率相同的谐波，那么这种杂散发射会阻止所需信号被接收。

本机振荡器和不需要的混频产物

想象一个发射机，它的中频 (IF) 为 144 兆赫，与 94 兆赫混合，产生一个 50 兆赫的信号，然后进行放大和发射。如果本机振荡器信号进入功率放大器，没有被充分抑制，那么它可能会被辐射出来。然后，它有可能会干扰调频音频 (II 波段) 广播频段中 94 兆赫的无线电信号。同样，在设计不好的系统中，238 兆赫处的不需要的混频器产品也可能被辐射出来。通常情况下，通过合理选择中频和本机振荡器频率，可以避免这种问题，但一个潜在的不利情况是在构建一个 144 到 70 兆赫的转换器时，本机振荡器的频率为 74 兆赫，非常接近所需输出频率。已经制造出了使用这种转换的质量好的设备，但它们的设计和制造具有挑战性。这个问题可以被认为与接收器中存在的镜像响应问题相关。

减少这种发射机缺陷的可能性的一种方法是使用平衡混频器和双平衡混频器。例如，这是一个简单但效果不好的混频器

File:Badmixer.jpg

如果假设方程为

E = E₁ . E₂

并且由两个简单的正弦波 f₁ 和 f₂ 驱动，那么输出将是四个频率的混合

f₁

f₁+f₂

f₁-f₂

f₂

如果将简单的混频器替换为平衡混频器，则可能产品的数量会减少。想象一下，两个具有方程式 {I = E₁ . E₂} 的混频器被连接起来，它们的电流输出连接到线圈的两端（线圈的中心连接到地），那么流过线圈的总电流是两个混频器级输出之间的差值。如果其中一个混频器的 f₁ 驱动信号相移 180^o，则整个系统将成为一个平衡混频器。

注意，虽然这个假设设计使用的是四极管，但许多设计使用的是固态半导体器件（例如 MOSFET）。

E = K . E_f2 . ΔE_f1

因此，输出现在将只有三个频率。

f₁+f₂

f₁-f₂

f₂

现在，由于频率混频器具有更少的输出，确保最终输出干净的任务将变得更加简单。

不稳定性和寄生振荡

如果发射机中的某个级不稳定并且能够振荡，那么它可能开始在接近工作频率或完全不同的频率上产生射频。一个很好的迹象是，如果射频级即使没有被激励级驱动也能产生功率输出。另一个迹象是，如果输出功率在输入功率略微增加时突然大幅度增加，值得注意的是，在 C 类级中，这种行为可以在正常情况下观察到。抵御这种发射机缺陷的最佳防御措施是良好的设计，此外，还要密切注意对电子管或晶体管的中和。

参考文献

无线电通信手册（RSGB），ISBN 0900612584