感应装定系统中功率放大电路的设计与仿真

杨 敏，王 利，马振兴，王 珊，王国帅

(中北大学机电工程学院，山西 太原 030051)

0 引言

引信控制系统决定着弹丸的起爆时间，是武器系统不可或缺的装置[1]。由于射频识别(radio frequency identification,RFID)具有无源、非接触、能量和数据一体化传输的特点[2]，RFID技术逐渐被应用于感应装定系统中[3]。本文将RFID中的功率放大电路应用于感应装定系统中，解决了目前感应装定系统无法在大口径火炮的弹丸中实现远距离无线能量传输的问题。

1 装定器基本电路的设计

装定器基本电路如图1所示。上位机将火控系统发来的装定信息发送至装定器，单片机控制模块通过程序来识别该信息，并将其编码成数字基带信号。装定器中的调制电路将其调制，输出适合无线传输的信号。由于该调制信号的幅值太小，无法实现远距离无线传输，所以本文设计了一种功率放大电路。该功放电路将信号放大并加载到发射线圈上，实现了远距离的无线能量传输。本文将RFID中功率放大电路应用于感应装定系统，并对功放电路进行仿真及试验验证。

图1 装定器基本电路Fig.1 Basic circuit of the loader setter

通过分析大口径弹丸的装定情况，根据最小感应距离为6 cm的要求，选择近耦合系统较为合适。因为感应装定系统在复杂的金属环境下工作，要求工作频率为800 kHz～2 MHz[4]，所以本文选择的工作频率为1 MHz。

经过调制电路调制的信号直接加载到发射线圈上时，由于其电流较小，会影响接收线圈感应到的接收功率。因此，调制电路输出的信号要经过功放电路进行放大。功率放大电路原理图如图2所示。

图2 功率放大电路原理图Fig.2 Schematic diagram of power amplifier circuit

功率放大器按照晶体管的导通角大小，可以分为A类(导通角为2π)、B类(导通角为π)、C类(导通角为0～π)三种类型。由于A、B、C类功率放大器的效率较低，已逐渐被淘汰。D类功率放大器具有高效率、低失真的优势[5-6]。D类功率放大器的工作原理是用两只放大性能相同、导电极性相反的三极管接成推挽形式[7]，两管轮流导通，一个三极管在信号的正半周期工作，另一个在负半周期工作，从而避免了功率放大电路中的非线性失真，在负载上得到的信号波形完整且稳定。两个晶体管状态互补、轮流导通。其中一个晶体管导通，即“开”状态时，Ic很大，但Vc很小；“关”状态时则相反，两者的乘积Pc都很小，所以其效率较高，可以达到80%以上[8]。基于以上分析，本文选择D类功率放大器。

调制电路输出的信号进入功率放大电路，经极性电容C4、C5滤波后,再经由二极管与电阻的并联回路进入三极管的基极。当调制信号输入为1，U2管基极电压接近电源电压，U2管截止，U1管导通；反之，U2导通，U1截止。两基极之间并联的电容C6电容值用来提高三极管开关速度,C6越大，两三极管之间的转换速度越慢。共集电极输出的信号经C3隔直后，加载到发射线圈上。故确保发射线圈L1和C1的谐振为1 MHz是提高输出功率的关键。一旦放大器输出回路失谐，会对放大电路产生不良影响甚至烧坏晶体管[9]。负载R5可以认为是电感线圈损耗电阻。

R5的电流基波幅值为：

(1)

负载上的输出功率为：

(2)

直流电源的输入功率为：

(3)

功率放大器的效率为：

(4)

由式(2)可以看出，若忽略晶体管饱和压降VCES的影响，Po和VCC的平方成正比。所以，只要提高电源电压，即可增大负载上的输出功率，使电感线圈L1的损耗电阻R5较小[10]。从式(4)中可以看出，提高电源电压也有利于提高效率,所以应选择合适的电源电压，保证功率放大电路有较高的输出功率和效率。本文选用的功放管型号为8550与8050。通过查询数据手册，所选用电源电压应满足9 V≤VCC≤25 V。这是因为电压过高容易烧坏三极管、过低则没有达到晶体管的工作电压。

2 Multisim仿真及结果分析

根据以上理论分析，用Multisim 10.0进行仿真调试。本电路中：f=1 MHz,C1、L1处于谐振状态，四个二极管用于稳定功放管基级，选用普通二极管1N4149即可。开关转换电容C6选用1 μF，滤波电容C4=C5=10 μF。当电源电压VCC=15 V时,通过调试发射极限流电阻R1、R2的阻值来调试电路，使电路达到最佳放大状态。通过仿真调试，发现R1、R2较小时，放大效果更加明显。但考虑到R1、R2为发射极限流电阻，其阻值不能过小，否则起不到作用，所以选择R1=R2=10 Ω。

仿真结果为：当输入信号为2 V时，输出信号可高达20 V，放大效果明显且放大信号完整稳定，无失真。由于本文中的载波频率为1 MHz,此功率放大电路也可以用于载波频率为1 MHz的RFID发射电路。

3 试验验证及结果分析

按照仿真所得的参数进行试验平台搭建。

功放电路的输入波形，其电压幅值为1.68 V。当电源电压为15 V时，经过功率放大后，加载到发射线圈上的信号幅值为36.8 V，且信号完整稳定，没有失真。通过试验调试，得出如下结论。①功放管的选择至关重要，要选择互补特性好、散热能力强的功放三极管，以提高功放性能。②适当增大电源电压可以提高发射功率，当VCC=12 V时，输出电压幅值为30.0 V；当VCC=15 V时，输出电压幅值为36.8 V；当VCC=17 V时，输出电压幅值为39.8 V。所以在试验时，可以适当提高电源电压，但电源电压不能超过三极管的Vceo,以免烧坏三极管。

由以上分析可知，该功放电路放大效果较好。为了进一步研究其功率放大效果，利用简单的引信接收模块电路，通过接收器中感应到的距离来验证功放效果，且通过简单的解码电路来测试在该距离下是否可以得到完整的原始信息。

调试结果如下。

①当电源电压为15 V时，在不同感应距离下，接收线圈感应到的电压信号是不同的。在感应距离分别为6 cm、 8 cm、10 cm、12 cm时，接收电压幅值分别为3.36 V、 3.02 V、2.56 V、1.84 V，且均可解调出基带信号。这些基带信号由单片机解码后，可以得到完整的原始信息。②在调试中还发现，感应距离受功率放大电路中电源电压的影响，接收线圈电压幅值随电源电压的降低而缓慢下降。比如在相同的测试条件下，以单片机可以还原出完整的信号为前提，当电源电压为18 V时，感应距离最远可达14 cm；当电源电压降到15 V时，感应距离为13 cm。以上调试结果表明，该装定器中的功率放大电路并不是独立工作的，它可以为引信接收器提供足够的功率与能量，保证信号和能量的传输。

4 结束语

针对大口径火炮中感应装定系统无法实现远距离传输的问题，本文设计了装定器中的功率放大电路。通过仿真及试验电路调试，得到以下结论：①该功率放大电路具有较高的稳定性，能够长时间输出稳定的波形，且波形不失真；②感应距离随着功率放大电路中电源电压的增大而增大，当电源电压为15 V时，最远感应装定距离可达到12 cm,完全满足火炮装定的最小距离要求；③本文所设计的功率放大电路可以为引信接收器提供足够的功率与能量，保证信号和能量的传输。

参考文献:

[1] 聂仙娥.多功能引信的装定技术研究[D].太原：中北大学,2012.

[2] 王潇潇,张世林,张艳征,等.2.45 GHz RFID半有源标签电源管理电路设计[J].微电子学,2013,43(5):661-666.

[3] 任志华.基于射频识别的无线装定系统的研究[J].山西电子技术,2012(5):92-94.

[4] 谭麒麟.金属管武器引信感应装定系统能量和信息传输通道研究与设计[D].南京：南京理工大学，2008.

[5] 闫博.基于ADS的射频功率放大器设计与仿真[D].长沙：国防科学技术大学,2010.

[6] 毕满清.模拟电子技术基础[M].北京：电子工业出版社，2010.

[7] 王鑫,赖晓铮,朱海龙,等.一种长距离125kHz阅读器硬件电路的设计与实现[J].电子技术应用,2008,34(2):79-82.

[8] 蔡永辉.高效率的D类放大器[J].科技传播,2015,7(6):65-67.

[9] 刘畅.基于谐波阻抗控制的宽带高效率功率放大器研究[D].南京：东南大学,2014.

[10]马振兴.感应装定系统中信息传输研究[D].太原：中北大学,2017.