高頻電子線路(第二版) 王衛(wèi)東 第二章 2.5

2.4高頻功率放大器的實用電路

要使高頻諧振功率放大器正常工作，在其輸入和輸出端還需接有：直流饋電線路：為晶體管各級提供合適的偏置；交流匹配網(wǎng)絡：將交流功率信號有效地傳輸。2.3.5高頻功率放大器的電路組成IcoECIc1CLIcnLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT2.3.5高頻功率放大器的電路組成

休息2休息1ICO直流通路ICOECLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTIC1交流通路Ic1LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTICn交流通路ICniC頻譜LC回路阻抗特性LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTCBLBLBLBCERBReVTVTVTCBCBCB1LBLLCCVTVTEBEB2基極饋電線路IBOUBBIBOIeo+UBB-休息2休息1二高頻功放的耦合回路

休息2休息1RiRoR'LR'S功率放大器輸入匹配網(wǎng)絡輸出匹配網(wǎng)絡RLRSuS(1)使負載阻抗與放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保證放大器傳輸?shù)截撦d的功率最大，即它起著匹配網(wǎng)絡的作用。

(2)抑制工作頻率范圍以外的不需要頻率，即它有良好的濾波作用。

(3)在有幾個電子器件同時輸出功率的情況下，保證它們都能有效地傳送功率到公共負載，同時又盡可能地使這幾個電子器件彼此隔離，互不影響。

輸入匹配網(wǎng)絡或級間耦合網(wǎng)絡:是用以與下級放大器的輸入端相連接輸出匹配網(wǎng)絡:是用以輸出功率至天線或其他負載L1C1C2L2CARAr1IAMr'r1C1L1C1R'pL1IK二高頻功放的耦合回路休息2休息1介于放大器與天線回路之間的L1C1回路就叫做中介并聯(lián)諧振回路。RA、CA分別代表天線的幅射電阻與等效電容；

L2、C2為天線回路的調(diào)諧元件。它們的作用是使天線回路處于串聯(lián)諧振狀態(tài)，以使天線回路的電流IA達到最大值，亦即使天線幅射功率達到最大。

從集電極向右方看去可以等效為一個并聯(lián)諧振回路,其中Rp為折合到晶體管輸出回路的等效負載。

1.輸出匹配電路

(1)并聯(lián)諧振回路型的匹配電路

RpRp繼續(xù)休息2休息1當天線回路調(diào)諧在串聯(lián)諧振狀態(tài)時，它反映到L1C1中介回路的等效電阻為設初級回路的接入系數(shù)為p，則晶體管輸出回路的等效負載為：r'r1C1L1C1R'pL1IKRpL1C1C2L2CARAr1IAMRp繼續(xù)(1)并聯(lián)諧振回路型的匹配電路L1C1中介回路的等效諧振阻抗為

QL為有載品質(zhì)因素，

改變互感系數(shù)M和接入系數(shù)p就可以在不影響回路調(diào)諧的情況下。調(diào)整晶體管的輸出回路的等效負載電阻Rp，以達到阻抗匹配的目的。

休息2休息1由于高頻功率放大器工作在非線性(丙類)工作時，放大器的內(nèi)阻變動劇烈：導通時，內(nèi)阻很小；截止時內(nèi)阻近于無窮大。因此輸出電阻不是常數(shù)。所謂線性電路的阻抗匹配(負載阻抗與電源內(nèi)阻相等)概念也就失去了意義。

ηk：中介回路的傳輸效率。L1C1C2L2CARAr1IAMRp繼續(xù)(1)并聯(lián)諧振回路型的匹配電路如果設

：

r'r1C1L1C1R'pL1IKRp要想回路的傳輸效率高，則空載Qo越大越好，有載QL越小越好，也就是說，中介回路本身的損耗越小越好

但從要求回路濾波作用良好來考慮，則QL值又應該足夠大。從兼顧這兩方面出發(fā)，QL值一般不應小于10。在功率很大的放大器中，QL也有低到10以下的。

休息2休息1在大功率輸出級，T型、Π型等濾波型的匹配網(wǎng)絡就得到了廣泛的應用。圖中的R2一般代表終端(負載)電阻，R1則代表由R2折合到左端的等效電阻，現(xiàn)以(a)為例進行計算公式的推導繼續(xù)(2)濾波器型的匹配網(wǎng)絡兩種Π型匹配網(wǎng)絡(a)(b)L1R1C1C1R1L1C2R2R2C2將并聯(lián)回路R1C1與R2C2變換為串聯(lián)形式，由串、并聯(lián)阻抗轉(zhuǎn)換公式可得L1C1'R1'C2'R2'網(wǎng)絡匹配時，R1'=R2'由諧振條件得:仿真[例]有一個輸出功率為2W的高頻功率放大器、負載電阻RL=50Ω，EC=24V，f=50MHz，Q1=10，試求Π型匹配網(wǎng)絡的元件值。

解:繼續(xù)(2)濾波器型的匹配網(wǎng)絡L1R1C1R2=RLC2

R1應該是功率放大器所要求的匹配電阻

Rp,即L1C1'R1'C2'R2'網(wǎng)絡匹配時，R1'=R2'改寫為：

解之得：

休息2休息1由諧振條件得:注意，考慮到晶體管的輸出電容Co后，C1應減去Co之值，才是所需外加的調(diào)諧電容值。一般，當L1確定之后，用C2主要調(diào)匹配，用C1主要調(diào)諧振。

實際還有其它各種形式的匹配網(wǎng)絡。分析方法都很類似，即從匹配與諧振兩個條件出發(fā)，再加上一個假設條件(通常都是假定Q1值)，即可求出電路元件的數(shù)值。

2.6.1寬帶高頻功率放大器

以LC諧振回路為輸出電路的功率放大器，由于其相對通頻帶B/

fo只有百分之幾甚至千分之幾，所以又稱為窄帶高頻功率放大器。由于調(diào)諧系統(tǒng)復雜，窄帶功率放大器的運用就受到了很大的限制。

繼續(xù)2.6寬帶高頻功率放大器與功率合成電路近年來一種新穎的，能夠在很寬的波段內(nèi)實現(xiàn)不調(diào)諧工作的寬頻帶功率放大器得到了迅速的推廣。

休息2休息1寬帶功率放大器，實際上就是一種以非調(diào)諧單元作為輸出匹配電路的功率放大器。它是以頻率特性很寬的傳輸線變壓器，代替了電阻、電容或電感線圈作為其輸出電路

。

寬頻帶功率放大器沒有選頻作用。因此諧波的抑制成了一個重要的問題。為此，放大管的工作狀態(tài)就只能選在非線性畸變比較小的甲類或甲乙類狀態(tài)，效率較低，也就是說寬頻帶放大器是以犧牲效率作為代價來換取寬頻帶輸出的

。

1.普通變壓器不能在較寬頻內(nèi)工作的原因

繼續(xù)2.6.1寬帶高頻功率放大器休息2休息1圖(b)中L、Ls1、r1是變壓器初級繞組的電感、漏感和損耗電阻；Ls2、r2

是折合到初級后，次級繞組的漏感和損耗電阻；C是變壓器各分布電容折合到初級后的總和；R‘L是折合到初級后的等效負載電阻。在高頻端由于初級繞組電感的感抗很強，因此在高頻端等效電路中可以認為電感L是開路，如圖(c)。在低頻端，由于頻率較低，各漏感和損耗電阻很小，也可略去不計，可以認為電容C開路，如圖(d)；(a)原理電路(b)等效電路(c)高頻端等效電路(d)低頻端等效電路(e)頻率響應曲線usRsRLuoRsRsRsusususr1Ls1LLs2r2CR'LrLsLCR'LR'Lfsfuo一般變壓器的等效電路可見工作頻率越低，電感L的旁路作用就越大，于是輸出電壓將隨著工作頻率的降低而下將。在高頻端負載R'L接在Ls和C組成的串聯(lián)諧振回路容抗元件的兩端，在串聯(lián)諧振頻率fs的附近，負載兩端的電壓急劇增加，并在fs上達到最大值。但是，偏離諧振頻率fs，電壓將急劇減小繼續(xù)2.寬頻帶傳輸線變壓器的工作原理休息2休息1傳輸線變壓器是將兩根等長的導線緊靠在一起，并繞在高導磁率低損耗的磁芯上構(gòu)成的。最高工作頻率可擴展到幾百兆赫甚至上千兆赫。

傳輸線變壓器與普通變壓器在傳輸能量的方式上是不相同的，傳輸線變壓器負載兩端的電壓不是次級感應電壓，而是傳輸線的終端電壓。兩根導線緊靠在一起，所以導線任意長度處的線間電容很大，且在整個線上均勻分布。其次，兩根等長導線同時繞在高μ磁芯上，所以導線上均勻分布的電感量也很大，這種電路通常又叫分布參數(shù)電路。

usususRLRLRLRsRsRs(a)結(jié)構(gòu)示意圖(c)普通變壓器的原理電路(b)原理電路圖u1u2u1u2u1u2在傳輸線變壓器中，線間的分布電容不影響高頻能量的傳輸，電磁波以電磁能交換的形式在導線間介質(zhì)中傳播的。

(1)1：1傳輸線變壓器

繼續(xù)3.常用傳輸線變壓器分析休息2休息1

1：1傳輸線變壓器，又叫倒相變壓器。當傳輸線無損時，可以認為u1=u2和i1=i2。usRLRsu1u2i1i2如果傳輸線的特性阻抗：

傳輸線輸出端的等效阻抗為：輸入端（1、3端）的等效阻抗為：為了實現(xiàn)傳輸線變壓器與負載的匹配，要求：

為了實現(xiàn)信號源與傳輸線變壓器的匹配，要求：

1：1傳輸線變壓器，最佳匹配狀態(tài)應該滿足：滿足最佳功率傳輸條件的傳輸線特性阻抗為：1：1傳輸線變壓器具有最大的功率輸出。但實際上，在各種放大電路中RL正好等于信號源內(nèi)阻的情況是很少的。因此，1：1傳輸線變壓器很少用作阻抗匹配元件，而更多的是用來作為倒相器，或進行不平衡-平衡以及平衡-不平衡轉(zhuǎn)換。

usRsusususRsRsRLRLRLRLRsu1u1u2u2i2i1i1+i2(2)1：4和4：1傳輸線變壓器繼續(xù)3.常用傳輸線變壓器分析休息2休息1

1：4傳輸線變壓器是把負載阻抗降為1/4倍以便和信號源相匹配。在負載匹配的條件下，有u1=u2=u和，i1=i2=i

由于變壓器的1端與4端相連，輸入端1端與3端的電壓為u，負載RL上的