基于2SK241的导航150kHz信号的高频放大检波

品慧电子讯在 选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波[1] 中一系列的设计中，如果直接将基于工字型的电感接入放大器的输入端，则会引起电路的自激振荡。其中的原因很可能是 高频管的Cbc的存在形成的Hartley振荡器[2] 。但是使用绕制副绕组将天线接入放大电路，不仅会使天线制作变得麻烦，也会降低了系统的增益。下面则测试使用2SK241高频管组成的前级LNA对来自于天线信号直接进行放大。

1.放大电路设计目标

在 选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波[1] 中一系列的设计中，如果直接将基于工字型的电感接入放大器的输入端，则会引起电路的自激振荡。其中的原因很可能是 高频管的Cbc的存在形成的Hartley振荡器[2] 。但是使用绕制副绕组将天线接入放大电路，不仅会使天线制作变得麻烦，也会降低了系统的增益。下面则测试使用2SK241高频管组成的前级LNA对来自于天线信号直接进行放大。

2.晶体管2SK241

2SK241[3] 是由东芝生产的FET低噪声高频信号放大器。它的主要信号如下图所示：

▲ 2SK241的基本参数

▲ 2SK241测试参考电路

之所以选择这个三极管，还是由于之前在遵照由柃木宪次所著的《高频电路设计与制作》，对于其中的内容进行实践中购买了2SK241晶体管，所以手边有2SK241晶体管。下面基于它进行测试。

▲ 高频电路设计与制作

02 基本测试

1.静态测试

测试电路如图所示：

▲ 静态测试电路

（1）工作电流

在工作电压为+12V的时候，工作电流为 Id=4.2mA 。T1漏极工作点为4.86V。

通过 DH1766可编程直流电源[4] 改变输出2SK241的工作电源，同时读出输出电流。可以得到上述电流的工作电流与电压之间的关系。

▲ 工作电压与工作电流

可以看到在 工作电压的时候，输出与Vcc之间基本上呈现线性关系。时，对应的，对应的电阻：

（2）输入阻抗

使用 NanoVNA矢量网络分析仪[5] 测量2SK241的输入阻抗。

 ◎ 150kHz输入阻抗：

   电阻(kΩ)：555.04

   并联电容(pF)：9.4

▲ NanoVNA矢量网络分析结果

由于测量的输入阻抗还包括有偏置电阻360k欧姆，所示实际上2SK241在150kHz的输入阻抗为：1.024MΩ。

2.放大接收天线

使用上述电路对于自行绕制的工字型电感组成的150kHz的谐振电路信号进行放大。

▲ 自行绕制的工字型电感

（1）工字型电感参数

 ◎ 工字型电感参数（150kHz）：

   电感(uH)：1064.5

   电阻(Ω)：6.69

   品质因子(Q)：149.9

▲ 使用NanoVNA测量工字型电感参数

（2）谐振电容

在工作频率下对应的谐振电容为：1.06nF

选择一个标称为102的陶瓷电容，使用NanoVNA测量在150kHz下的参数：

 ◎ 在150kHz电容参数：

   电容(pF)：985.8

   串联电阻(Ω)：22.75

   品质因子(Q)：47.31

▲ 并联谐振电容测量结果

根据上述测量的LC，可以计算出对应的谐振频率：

（3）测量LC并联谐振阻抗

利用NanoVNA测量LC并联阻抗。

 ◎ LC并联谐振参数：

   谐振频率(kHz)：156

   电阻(kΩ)：46.476

   品质因子(Q)：46.325

▲ LC并联谐振阻抗测量

可以看到由于所选用的电容（0.9858nF）所需要的电容（1.06nF），所以还需要并联电容进行补偿。补偿电容为：。

重新选择两个电容，分别是 51pf,22pf进行并联，将谐振频率调整到150kHz。如下是NanoVNA测量谐振对应的阻抗。

▲ 测量谐振LC的阻抗

根据前面测量2SK241对应的输入端口还有 9.4pF的并联电容，因此，将上述谐振回路连入2SK241放大电路的时候，需要减少10pF左右。为此，需要使用20pF可调电容来调整谐振频率。

下图中绿色便是一个最大为55pF可调电容器。

▲ 匹配有可调电容的谐振回路

03 放大导航信号

1.接收电路

下图给出了接收电路的基本形式。

根据【2-2-3】测量接收天线谐振阻抗，它的并联阻抗为46.47kΩ，【2-1-2】测量2SK241放大电路在150kHz下输入阻抗为超过1MΩ。

为了达到阻抗匹配，可以使用1:4的升压变压器，将谐振电路接入T1栅极。为了简单起见，下面直接将谐振回路接入T1的栅极。虽然此时，输入阻抗不匹配，但可以达到放大器的SNR最大化。

▲ 接收电路

2.接收波形

将信号灯无线发送线圈放置在距离测试电路板3米的距离，打开发送状态，测量到此时T1的漏极输出电压波形如下图所示。

 ◎ T1漏极信号测量值：

   交流信号有效值(V)：0.669

   直流信号(V)：4.97

▲ 测量2SK241的漏极输出波形

3.接入倍压整流电路

将T1的漏极的输出电路连接倍压整流电路。整流采用BAT54对肖特基二极管完成。负载R2取10k欧姆。根据 整流电路对应的阻抗是多少？[6] 实验可以知道，此时倍压整流电路对外阻抗大约是R2的一半，也就5k欧姆，小于T1的输出阻抗（R1）。

▲ 加入倍压整流电路

（1）T1漏极波形

如下为倍压整流时对应T1漏极信号波形：

▲ 倍压整流时对应T1漏极信号波形

（2）输出直流电压

无线线圈信号源距离测试电路2.5米左右，对应的输出倍压整流直流电压：672mV。将信号源搬移到5米距离，倍压整流输出为65.9mV。如果将信号源靠近测试电路，输出倍压整流电压会超过5V。

※ 测试总结

1.基本结论

本文设计了基于高频信号放大FET 2SK241 150kHz高频放大电路。相比之前基于 基于超声波升压中周构建的150kHz的单管选频放大电路[7] 具有更高的增益。对比在 选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波[1] 测量得到的检波结果，在远距离（大于3米）的情况下，输出倍压检波幅值大了近10倍左右。

基于FET2SK241只需要借助于接收谐振回路便可以的完成对接收信号的放大，可以避免在使用LC选频放大带来的调节麻烦。同时也可以避免电路出现自激振荡的情况。

2.设计参考

参考电路在【3-3】中给出了。其中具体参数：

（1）绕制接收线圈

在 讨论工字型接收线圈天线不同匝数对于低频定位信号检测影响：150kHz导航信号[8] 接收线圈制作的参数。绕制所需要的一个大型的工字型磁骨架。它的外形和参数如下：

▲ 工字型磁芯

 ◎ 工字型磁芯:

   直径：14mm

   高：19.mm

   顶、底厚度：3mm

▲ 使用Litz线绕制120匝之后的电感

 ◎ 测量实际电感参数：

   NanoVNA测量结果：

   SmartTweezer测量结果：

（2）电路其它参数

FET晶体管：2SK241，静态电流4mA

可调电容：51pF

倍压整流肖特基管：BAT54

参考资料

[1]选频放大电路对于150kHz导航信号进行放大检波:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116274717

[2]高频管的Cbc的存在形成的Hartley振荡器:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116372637

[3]2SK241:https://html.alldatasheet.com/html-pdf/30633/TOSHIBA/2SK241/245/1/2SK241.html

[4]DH1766可编程直流电源:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/110821452

[5]NanoVNA矢量网络分析仪:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116295857

[6]整流电路对应的阻抗是多少？:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/113618551

[7]基于超声波升压中周构建的150kHz的单管选频放大电路:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116196406

[8]讨论工字型接收线圈天线不同匝数对于低频定位信号检测影响：150kHz导航信号:https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/116304763

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