1实验目的
高频谐振功率放大器的主要功能是将微弱的电信号以足够大的功率发射出去，由于负载是LC 谐振回路，因此具有滤波的功能。此外高频谐振功率放大器还可以构成调幅电路、倍频器电路，因此是组成无线发射机的重要电路，是“高频电子线路”课程的重点内容，也是电子信息类学生必须要掌握的知识。然而这部分的内容理论性较强，涉及到的数学知识较多，教师采用传统的PPT 授课方法，对学生来说晦涩难懂[1]。实验是检验理论最好的办法，但目前有些高校高频实验仪器单一、设备老旧，很难满足实验的需求。仿真软件可以帮助我们较好地解决这个问题。本文选用的Multisim 软件具有强大的仿真功能，除了拥有大量丰富的虚拟元件和多种虚拟测量仪器外，还提供完备的分析方法[2]。只要将软件安装在电脑上，学生就可以在电脑上完成电路的设计、搭建、运行和测试的仿真练习。
为了帮助学生更好地掌握高频谐振功率放大器的工作过程，笔者总结多年的教学经验，借助Multisim 软件，设计了一套高频谐振功率放大器的仿真实验，包括验证实验和设计实验两部分，验证实验包括高频
谐振功放工作状态分析、负载特性分析、调制特性分析，设计实验包括设计滤波匹配网络和倍频器，两部分实验逐渐推进。希望通过实验仿真，解决理论教学中枯燥难懂的问题，帮助学生更深入地理解这部分知识。
2实验设计步骤
2.1创建测试电路并分析电路组成
要求学生使用Multisim 软件创建如图1所示的实验电路，引导学生观察分析该电路的组成，可以以填空题形式记录分析结果。分析：在输入回路，用电感和电阻串联构成基极自偏置电路，保证晶体管Q 1工作在截止区。而在输出回路，由直流电源V 1、电
基于Multisim 的高频谐振功率放大器仿真实验设计
【摘要】为了帮助学生更好地学习高频谐振功率放大器工作过程，设计了该电路仿真实验，内容包括工作状态分析、负载特性分析、调制特性分析、设计滤波匹配网络和倍频器。借助Multisim 软件仿真了实验内容，仿真结果形象直观，与理论结果一致，可以有效调动学生学习积极性和创新主动性。【关键词】Multisim ；实验设计；高频谐振功率放大器【doi:10.3969/j.issn.2095-7661.2021.01.006】【中图分类号】TN722
【文献标识码】A
【文章编号】2095-7661（2021）01-0019-04
Simulation Experimental Design of
High Frequency Resonant Power Amplifier Based on Multisim
（泉州经贸职业技术学院，福建泉州362000）
潘春玲
Abstract ：In order to help students better learn the working process of high frequency resonant power amplifier,the circuit simulation experiment that based on Multisim is designed,including the analysis of working state,load characteristics,modulation characteristics,design of filter matching network and frequency multiplier.The experiment results are visual and consistent with the theoretical results and can effectively mobilize students'learning enthusiasm and innovation initiative.
Keywords ：Multisim;experimental design;high frequency resonant power amplifier
PAN Chun-ling
(Quanzhou Vocational College of Economics and Business,Quanzhou,Fujian,China 362000）
[收稿日期][作者简介][基金项目]2020-12-05
潘春玲（1982－），女，福建永春人，泉州经贸职业技术学院讲师，硕士，研究方向：电子技术、物联网技术。
2018年福建省中青年教师教育科研项目“基于云平台的远程健康监护系统的设计与研究”（项目编号：JZ180953）。
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湖南邮电职业技术学院学报第20卷
阻和构成的谐振回路一起组成集电极串馈
电路。输入信号由信号发生器XFG1提供，输出信号通过集电极负载网络输出，该输出信号的波形
用示波器XSC1的1通道测量，而2通道测量的是电
阻
上的电压波形，3通道测量的是信号发生器XFG1输出信号，即电路输入信号的波形。瓦特计XWM1的电压端子接在谐振回路两端，用于测量输出功率，而瓦特计XWM2用来测量电源的供给功率。
图1高频谐振功率放大器测试电路图
2.2调谐功率放大器
由理论分析可知，高频谐振功率放大器集电极的电流是含有多种频率成分的信号，但是高频谐振功放只选择其中一种频率信号输出，这个输出信号的频率取决于谐振回路。这个步骤可以要求学生先计算
谐振回路的谐振频率：
可见输出的频率为465kHz 。高频谐振功放电路没有改变信号的频率，因此可以调节输入信号的频率为465kHz ，振幅不宜过大，设置为400mV ，波形为正弦波，接着用示波器观察3个通道电压的波形，微调电容
，使
网络输出电压波形失真最小，观察
记录波形并进行分析。测量结果如图2所示。
图2功率放大器测量电压波形图
分析：图2的1波形是网络的输出电压波
chexiao
形，因
谐振回路有滤波特性，只有与谐振频率相
等的成分有输出，因此是一个完整的正弦波，且该信号的频率和输入信号一致。2波形为
上的电压波
形，因三极管工作在截止区，随着输入信号大小的变化，三极管在导通和截止状态切换，因此集电极电流是一个周期性的脉冲[3]，它在
上的电压波形也是周
期性脉冲，3波形是输入的正弦波。
2.3负载特性测试
这个步骤是要让学生掌握高频谐振功放的工作状态随负载变化的情况，并对不同工作状态下的输出功率和效率进行测量，然后对比。由上一步骤得到的波形2是一个顶部凹陷的脉冲可知，此时谐振功放处于过压状态，要测试高频谐振功放的负载特性，应维持信号发生器的输入信号不变，逐渐改变的大小，上
的电压波形也会随着发生变化。减小的大小，当上电压波形刚好变成尖顶脉冲时，说明此时谐振功放处于临界状态，记录下此时的数值，=20k Ω×0.44=8.8k Ω，继续减小的大小，尖顶脉冲高度增加，说明谐振功放处于欠压状态。
可以要求学生分别在三种状态下，用瓦特计测量谐振功放的输出功率和供给功率，测量电路如图1所示，效率根据公式计算，测量的结果填入表格1中。测量结果显示，随着负载电阻的减小，谐振功放依次经历了过压、临界、欠压三种状态，上电压波形变化如图3所示，同时结果也显示了谐振功放在临界状态时有最大的输出功率，这与理论研究的结果是一致的[4]。
表
1负载特性测试记录表
图3上电压波形图
2.4调制特性测试
高频谐振功放有集电极调制和基级调制两种，两种调制方式都可以构成高电平调幅电路。调制特性测
参数
状态 过压 临界 欠压 R 2
12 k Ω 8.8 k Ω 4 k Ω P 0 5.119 mW 5.744 mW 4.974 mW P D 5.714 mW 7.045 mW 9.319 mW 89.6% 81.5% 53.4% R 1上电压波形
顶部凹陷 的脉冲
凹陷消失， 变成尖顶脉冲 尖顶脉冲， 高度增加
（1）
20
第1期
试电路如图1所示，集电极调制是指维持电路其他参数不变，把集电极电压由小增大时，高频谐振功放会由过压经临界最后进入欠压状态；基级调制是指维持电路其他参数不变，把基级偏置电压由小增大时，高频谐振功放会由欠压经临界最后进入过压状态[5]，图1电路的基级偏置电压由信号发生器XFG1提供的输入信号在电阻上产生，因此可以通过调节输入信号的大小来改变基级偏置电压。这步实验是要让
学生验证理论研究结果。
设计集电极调制时，可以在输入电压幅度400mV，集电极电压为12V下，将谐振功放调到临界状态，然后保持输入电压幅度不变，让学生将依次调到9V、18V，然后分别观察在这三个集电极电压下，上电压波形。观察结果记录表2中。
表2集电极调制特性测试记录表
设计基级调制时，同样在输入电压幅度400mV，集电极电压为12V下，将谐振功放调到临界状态，然后保持不变，让学生将输入电压幅度依次调到390mV、405mV，然后分别观察在这三个输入电压下，上电压波形。观察结果记录表3中。
表3基级调制特性测试记录表
通过这两个表格的设计及波形的对比，学生可以很直观地理解高频谐振功放的调制特性，可以很好解决之前教师用PPT授课时理论知识晦涩抽象、学生较难理解的问题。
2.5滤波匹配网络设计
在高频谐振功放中，谐振网络除了滤波作用，还兼有阻抗匹配的功能，它能将实际负载电阻做一个等效变换，变成放大器的最佳负载电阻，从而使高频谐振功放获得最大功率输出，在实际应用中，为了提高阻抗匹配性能，还常采用更复杂的网络。这个实验步骤是考察学生设计滤波匹配网络的能力。实验设计
要求如下：将测试电路调整到临界状态，接着将换成50Ω的固定电阻，要求设计输出回路的滤波匹配网络，使输出功率最大。该设计实验可以以图4所示的电路图来提问。
图4待设计滤波匹配网络的测试电路图
首先测量未加入滤波匹配网络时的输出功率为132.151uW。由表1可知，高频谐振功放的最佳负载电阻是8.8kΩ，而实际负载电阻是50Ω，因此需要将低阻变高阻，而满足条件的滤波匹配网络可以是左L型网络、∏型网络等等，具体类型由学生自己选择。以左L型网络为例，电路连接如图5所示。图中和的数值如以下式子计算。
（2）
（3）
（4）
（5）
图5加入左L型网络的测试电路图
此时再次测量输出功率为6.088mW，可见输出功率得到很大提高。
2.6倍频器设计
倍频器是一种可以整数倍改变输入信号频率的电路，广泛应用于无线发射机或作为电路的中间级，常用的倍频器有2倍频和3倍频[6]。这个步骤要求学生在上述电路的基础上，设计一个三倍频器，即输出信号的频率为3×465kHz=1395kHz。根据理论学习可知，高频谐振功放的集电极输出电压含有丰富的谐波，如果将负载谐振回路调谐在某一谐波上，谐振回路对该谐波处于谐振状态，阻抗最大，而对其他谐波是处于失谐状态，阻抗最小，等效为短路[7-8]。因此我们改变电感的大小，将减小到原来的1/9，即57uH，因一级选频输出的波形内含有基波、二
集电极电压V19 V 12 V 18 V
R1上电压波形顶部凹陷
的脉冲
凹陷消失，变
成尖顶脉冲
尖顶脉冲，
高度增加
谐振功放状态过压临界欠压输入电压幅度
390 mV
400 mV
405 mV
R1上电压波形尖顶脉冲，
高度较小
尖顶脉冲，
高度增加
顶部凹陷的脉
冲，高度增加
谐振功放状态欠压临界过压
基于Multisim的高频谐振功率放大器仿真实验设计
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湖南邮电职业技术学院学报第20卷
次谐波寄生调幅，波形失真较大，这里设计了两级
选频，构成一级选频网络，构成二级选频网络，两级选频的谐振频率均调谐在3倍频，设计的3倍频电路如图6所示，电压波形如图7所示，其中1为输出信号波形，2为输入信号波形，由频率计XFC1测得输出信号频率为1.39MHz，实现了三倍频。
图6三倍频器示意图
图7三倍频器的电压波形图
3总结
本文借助Multisim软件设计了一套高频谐振功率放大器仿真实验，该实验首先将功率放大器调到谐
振状态，通过改变电路参数，验证了其负载特性、调制特性，接着设计了滤波匹配网络和倍频器实验，要求学生在理解理论知识的基础上，能根据电路具体情况灵活运用知识。仿真结果显示，设计的实验电路运行结果与理论结果是一致的，并且能满足增大输出功率和倍频要求，实验步骤循序渐进，符合学生的认知规律，该实验可以帮助学生更好地学习理解高频谐振功放的工作过程，有效提高学生分析问题能力和创新意识。因此，把Multisim软件引入到传统的教学中具有其优越性，使用灵活、简单、结果直观，是学生学习电路的好帮手。
【参考文献】
[1]梁丽芳，齐国清.基于Multisim的调幅收发信机仿真设计[J].信息技术与信息化,2020(5):182-184.
[2]吴泳，周子杰.基于Multisim仿真的电子技术课程设计及实践[J].湖南邮电职业技术学院学报,2020(1):87-89,97．[3]韩新风，王玉莲，张永锋.高频谐振丙类功率放大器仿真分析[J].长春师范大学学报,2019(2):19-26.
[4]霍文晓，车晓岩，胡新艳.高频功率放大器调制特性分析[J].现代电子技术,2015(3):82-84.
[5]梁丽芳，滕君华，齐国清.高频电路综合创新实验平台研究[J].实验技术与管理,2020(3):112-115.
[6]吕龙，齐华.基于Multisim的高频功率放大器教学研究[J].现代信息科技,2018(3):31-33.
[7]李劲，席在芳，吴笑峰，胡仕刚.Multisim10在高频电子线路实践教学中的应用[J].信息与电脑,2016(11):117-118．[8]赵春艳，陈秀武，周小燕.基于Multisim仿真的电子线路教学设计[J].兰州文理学院学报(自然科学版
),2019(2):121-123. 22
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