射频发射机
在大二时完成的高频课设，现在作为Markdown书写练习发布在博客上，这也算是对大学学习内容进行总结。
摘要:无线电发射与接收设备在高频电子线路系统中扮演着重要角色，广泛应用于通信、广播、电视、安全防范、遥控遥测、雷达、电子对抗和无线导航领域。随着通信技术的发展，无线电技术的重要性日益凸显。本文选取调频发射机作为课程设计方案，介绍了其工作原理、制作方法、系统组成框图、各部分功能和PCB电路板设计。该发射机可在88-108MHz频段内进行调制，传输距离可达40m以上，可被普通调频收音机或四六级听力耳机接收。
关键词：调频发射机、音频信号、调制波、载波
无线电发射与接收设备设计与实践
1. 设计题目
- 调频（或调幅）发射机设计
2. 实践目的
无线电发射与接收设备是高频电子线路的综合应用，是现代化通信系统、广播与电视系统、无线安全防范系统、无线遥控和遥测系统、雷达系统、电子对抗系统、无线电制导系统等，必不可少的设备。本次设计要达到以下目的：
- 进一步认识射频发射与接收系统；
- 掌握调频（或调幅）无线电发射机的设计；
- 学习无线电通信系统的设计与调试。
3. 设计要求
3.1 单元电路
- 小信号调谐放大器：放大倍数大于20dB，负载为1，中心频率为10.7MHz或465kHz
- 振荡器：振荡频率在88-108MHz，输出信号幅度约1V，尽可能小失真
- 丙类功率放大器：电源+12V，工作频率6MHz，负载75，输出功率待填
3.2 发射机设计
（1）发射机采用FM、AM或者其它的调制方式；
（2）若采用FM调制方式，要求发射频率覆盖范围在88-104MHz，传输距离>20m;
（3）若采用AM调制方式，发射频率为中波波段525－1605KHz或30MHz左右，传输距离>20m；
（4）为了加深对调制系统的认识，发射机建议采用分立元件设计；（采用集成路的设计方法建议作为备选方案；）
（5）已调信号通过AM/FM多波段收音机进行接收测试。
4. 电路原理
4.1 FM调制原理
4.1.1 直接调频
直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其反映调制信号变化规律。要用调制信号去控制载波振荡器的振荡频率，就是用调制信号去控制决定载波振荡器振荡频率的元件或电路的参数，从而使载波振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，就能够实现直接调频。直接调频可用如下方法实现：
（1）改变振荡回路的元件参数实现调频
在LC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是LC振荡回路的电感L和电容C。在RC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是电阻和电容。因而，根据调频的特点，用调制信号去控制电感、电容或电阻的数值就能实现调频。调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。常用的可控电感元件是具有铁氧体磁芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有二极管和场效应管。
（2）控制振荡器的工作状态实现调频
在微波发射机中，常用速调管振荡器作为载波振荡器，其振荡频率受控于加在管子反射极上的反射极电压。因此，只需将调制信号加至反射极即可实现调频。若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制信号控制积分电容的充放电电流，从而控制其振荡频率。
4.1.2 间接调频
如图4-1-1所示，不直接针对载波，而是通过后一级的可控的移相网络。 将uΩ先进行积分而后以此积分值进行调相，即得间接调频。
可控移相网络的实现方法如下图4-1-1所示。将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变容二极管调相电路。电路中，由于调制信号的作用使回路谐振频率改变，当载波通过这个回路时由于失谐而产生相移，从而获得调相。
4.2 方案选择
相对于调幅波发射，调频发射机发射的频率带宽更加宽，但在高频段占用了相对较窄的频带，从而具有更远的传输距离和更小的信号失真。在要求传输距离不是很远的情况下，可以采用直接载波调频的方案来设计调频发射机。直接载波调频方案比较简单，并且易于实现，同时能够满足课程设计的技术指标要求。
直接调频可以使用不同的方法来实现。其中比较常见的一种是通过变容二极管直接调频。在这种方法中，我们可以使用VCO来实现变容二极管直接调频。大多数中小功率的调频发射机都采用变容二极管直接调频技术，即在工作于发射载频的LC振荡回路上直接调频，并采用晶体振荡器和锁相环路来稳定中心频率。相对于中频调制和倍频方法，这种方法的电路简单、性能良好、副波少、维修方便，是一种较先进的频率调制方案。
除了变容二极管调频之外，还可以采用三极管直接调频方法来实现调频发射。该方法是将三极管组成共基极高频振荡器，通过改变高频振荡频率来实现频率调制。具体而言，它利用电流对电容的影响实现电容变化，从而实现对频率的调制。相对于变容二极管调频，三极管直接调频电路更加简单，且可以使电路变得非常简洁。
需要注意的是，采用变容二级管调频方法时，对于高频线圈的参数有较苛刻的要求，这可能增加设计电路的难度。因此，在本文中采用三极管直接调制的方法是更为适合的选择，它不仅可以实现FM调频，而且使电路变得非常简洁，具有较好的性能表现。
5. 电路设计
5.1 原理图设计
5.1.1 二级FM发射机
该调频发射机的总体设计包括声电转换、音频小信号放大和高频振荡调制等部分。具体而言，驻极体话筒负责声电转换，采集周围环境声波信号后输出相应的电信号。这个信号经过电容C7输入到晶体管Q1，在Q1的作用下进行了音频小信号放大，并且经过C5送到晶体管Q2，进一步进行频率调制。
在高频振荡调制部分，Q2、C3、C6、C8、L1组成共基极高频振荡器，采用电容三点式。在这种方式中，基极与集电极的电压随基极输入的音频信号变化而变化，从而改变高频振荡的频率，最终实现频率调制。需要注意的是，由于高频电路容易受到干扰，为了降低干扰影响，可以选择末级来接入电源。这样，如果接入了来自前级的干扰信号，其影响会被逐渐削弱，以保证整个系统的稳定性。
在设计此类调频发射机时，需要特别注意电路的连接和调试。此外，需要对电路参数进行合理的调整和优化，以确保其性能和稳定性。
5.1.2 小信号调谐放大器
单调谐放大器的原理电路如图2所示，它用LC 并联谐振回路取代放大器的集电极负载电阻，或者与负载电阻并联。当用LC谐振回路作为集电极负载，放大器的外部输入信号频率与LC谐振回路谐振频率相等时，集电极等效负载最大，放大器有最大增益。若输入信号频率增加或减小，均会使回路处于失谐状态，结果使增益下降。电阻R2、Rp4和RP1的分压为晶体管基极提供静态电压，使其工作在放大状态。电阻Rp2和R1提供直流串联电流负反馈，Rp2和R1变大，静态工作点下降，负反馈加重，增益减小。CE为射极旁路电容，C1为耦合电容。电阻R3为集电极电阻，它对回路的Q值、带宽和增益都有决定性影响。带中间抽头的电感L1和电容C5、C4构成谐振回路。
5.1.3 高频振荡器
单元电路中的振荡器选择用电容三点式振荡器。C18 C16 C15 L4构成电容三点式，R8是偏置电阻为稳定三极管的静态工作点，使其处于放大区，另一个作用就是在交流等效电路中，成正反馈的作用，这是振荡器能起振的关键因素。调节L4或C15微变电容可以调节频率。最初设计打板的振荡器不能成功起振，之后在FM发射机上焊接实现。
5.1.4 电路优化部分
本课程设计中，我在调试过程中发现信号频率在达到90MHz时功率过小。出于解决此问题的考虑，我采取了加入一个额外的功率放大器单元电路来增强输出功率的方法。为了快速解决问题，我用洞洞板临时制作了这个单元电路。
需要注意的是，在实际项目中，使用洞洞板制作电路并不是最优选择，因为这种方法存在接触不良、松动或短路等风险，这可能会影响整个系统的性能和稳定性。因此，在实际项目中还是应该采用专业的电路板进行设计和制造，以保证电路连接的准确性和稳定性。
另外，信号功率过小的情况可能涉及多个因素。例如，可能是输入音频信号幅度太小或电路参数不合适等原因。在加入功率放大器之前，我们应该对电路参数和音频输入信号的幅度进行仔细检查，并尝试通过调整电路参数和音频信号幅度来优化系统性能。但由于时间原因，并没有对此进行调整。
5.2 PCB设计
出于上次数电课设所剩余的元器件考虑，电容采用贴片1206，电阻采用直插式。在利用原理图进行PCB板布线时，有一些注意事项需要特别考虑，以保证电路的可靠性和稳定性。首先，应该尽可能选择宽布线，在合适的范围内尽可能加大所有焊盘。这可以降低线路阻抗，并且使得信号传输更加稳定。其次，如果需要进行覆铜，应该提前改变线间距规则，并在覆铜完成后将规则改回原数值。因为在覆铜时，会根据规则确定覆铜间距，如果不调整规则，容易导致铜与线之间的距离过小，产生干扰。另外，在制作单面板时，需要注意直插元件的焊点要在与贴片同一面，即元件在另一面。还应当注意通孔的设置，确保通孔的大小和位置在设计中已经考虑到了。最后，在布线时，尽可能将元器件靠近摆放，减少导线长度并降低干扰；同时避免出现直角走线，以免阻碍信号传输。此外，适度加大导线宽度、焊盘直径和铺铜间距，可以提高焊接难度，使焊接更加便捷。
5.3 焊接
①将元器件按照PCB位置插入对应位置，并注意先焊接比较矮的元器件；
②对电感进行绕制，用漆包线绕十字螺丝刀5到7圈，然后用砂纸磨掉漆上松香和锡助焊，为了增加频率可以拉开线圈之间的距离；
③对天线进行绕制，也用漆包线绕十字螺丝刀14到18圈，焊接处同样需要用砂纸磨掉漆上松香和锡助焊，为了增加传输距离需要拉长天线（但实际效果好像不太明显）。
5.4 调试
5.4.1 FM发射机
高频发射机接入12V的电源，然后用示波器接天线的输出波形及频率，结果发现可以起振且波形良好，但频率只有50Mhz。所以重新绕制电感（减少圈数）且反复地改变反馈电容，波形逐渐稳定到某频率，用四级耳机调频到该频率可以清晰接收到信号，距离约为46m,此时频率为90MHz，达到与所要求的频率范围。但音质较差。后通过调节高频振荡回路上的电感和电容使调制频率减小到75MHz，音质与传输距离均有提升。
| 指标名称 | 指标数值 |
|---|---|
| 发射频率 | 77MHz |
| 工作电压 | 12V |
| 发射半径 | 大于50m |
| 电压峰峰值 | 198mV |
| 发射机1级发射极 | 723mV |
| 2级发射极 | 5.3V |
| 发射频率 | 电压峰峰值 |
|---|---|
| 77.28MHz | 572mV |
| 89.93MHz | 456mV |
| 92.94MHz | 296mV |
5.4.2单元电路振荡器
振荡波形频率达到80MHZ，波形良好。振幅略小于1V
5.4.3 小信号调谐放大器
小信号发射极5mv，放大倍数达到20db，负载为1K，中心频率为10.7MHZ。波形良好。
6. 实验心得
通过参加五天的高频课程设计，我深刻认识到了理论知识与实践操作之间的巨大差距。在平常的学习中，我们只能掌握理论知识，但对于如何将其转化为实际可行的操作方案还是感到无从下手。因此，在开始本次课程设计时，我必须先查阅相关资料，并了解如何将每个部分所需的功能转化为实际电路。经过多次尝试和改进，我最终确定了各项方案，并成功地搞清楚了电路的工作原理。
接下来，我按照电路原理图进行仿真和PCB板的设计制作。虽然整个过程充满着挑战和困难，并且出现无法仿真的情况。但我还是耐心地坚持下来。在焊接过程中，电路实际效果与仿真图上仍存在一定差异，这让我花费了更多时间不断调整参数使频率更稳定。在调试过程中，我也遇到了很多麻烦，有些问题我通过自己的努力调试找到了问题并成功解决了。例如频率起初只有50MHz，之后通过调整电容和电感解决。
通过这次实验，我认识到每个环节都非常重要，不能忽视任何一个环节，并时刻保持着认真的态度。例如在布线过程中，我深刻认识到高频电路需要尽可能地避免直角和锐角，尽可能使用圆弧以减少干扰。同时，我也学到了一些关键思想和态度：无论做什么事情，都要踏实做事，一步一个脚印；对于我们通信专业的同学来说，更加注重动手操作和实践经验；认真钻研和自主探究的能力非常重要。
总而言之，五天的高频课程设计让我受益匪浅，不仅掌握了更多的知识和技能，还培养了重要的思想和态度，这将对我的未来学习和工作带来巨大的影响。
参考文献
- 曾兴雯、刘乃安、陈健、付卫红，高频电路原理与分析（第六版），西安电子科技大学出版社，2017.2
- 华成英，模拟电子技术基本教程，清华大学出版社，2006.2