高頻電子電路2.4

2.4高頻功率放大器的實(shí)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：直流饋電電路：為晶體管各級(jí)提供合適的偏置；濾波匹配網(wǎng)絡(luò)：將交流功率信號(hào)有效地傳輸。2.4.1直流饋電電路根據(jù)直流電源連接方式不同可分為：串聯(lián)饋電：指晶體管、負(fù)載回路和直流電源是串聯(lián)的；并聯(lián)饋電：指晶體管、負(fù)載回路和直流電源是并聯(lián)的。1.集電極饋電電路（1）分類兩種饋電方式都應(yīng)滿足：（2）集電極饋電電路的組成原則IcoEC①的直流分量由經(jīng)過(guò)管外電路供給集電極，在流過(guò)的通道中除晶體管內(nèi)阻外，應(yīng)該沒有其他電阻消耗能量。2.4.1直流饋電電路

1.集電極饋電電路②的基波分量應(yīng)通過(guò)負(fù)載回路，產(chǎn)生需要的高頻輸出功率，因此，應(yīng)只在負(fù)載回路上產(chǎn)生電壓降，其余部分的外電路對(duì)它應(yīng)是短路的。Icm1CL③的高頻諧波分量不應(yīng)該消耗功率，因此，管外電路對(duì)應(yīng)盡可能接近于短路。Icmn（3）常用的集電極饋電電路2.4.1直流饋電電路1.集電極饋電電路LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT高頻扼流圈Lc：通直流阻交流；高頻旁路電容Cc：通交流隔直流；隔直電容Cc1：通交流隔直流。串饋并饋Ico直流通路IcoECLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTic1交流通路ic1icn交流通路icnLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT兩種饋電方式都滿足：根據(jù)直流電源連接方式不同可分為：串聯(lián)饋電：指晶體管、輸入回路和直流電源是串聯(lián)的；并聯(lián)饋電：指晶體管、輸入回路和直流電源是并聯(lián)的。2.基極饋電電路（1）分類兩種饋電方式都應(yīng)滿足：（2）基極饋電的兩種形式CBCBCB1LBLLCCVTVTEBEB串饋并饋2.基極饋電電路（3）實(shí)用的基極饋電電路CBLBLBLBCERBReVTVTVTIBOUBBIBOIEO+UBB-實(shí)際應(yīng)用中，由于基極饋電電路中采用單獨(dú)電源不方便，通常采用自給偏壓的方式提供基極偏置。并饋并饋串饋（1）利用基極回路直流電流產(chǎn)生偏壓（2）利用在上產(chǎn)生偏壓（一般很小）（3）利用射極回路直流電流產(chǎn)生偏壓常用的自給偏壓電路仿真

2.4.2濾波匹配網(wǎng)絡(luò)

高頻功放都要采用一定的耦合回路，以使輸出功率能有效地傳輸?shù)截?fù)載（下級(jí)輸入回路或天線回路），一般說(shuō)來(lái)，放大器與負(fù)載之間的耦合可采用下圖所示的四端網(wǎng)絡(luò)來(lái)表示。這個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)完成的任務(wù)是：功率放大器輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)RLRSuSRiRoR'LR'S（1）使負(fù)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?fù)載的功率最大，即它起著匹配網(wǎng)絡(luò)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(gè)電子器件同時(shí)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(fù)載，同時(shí)又盡可能地使這幾個(gè)電子器件彼此隔離，互不影響。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)或級(jí)間耦合網(wǎng)絡(luò):是用以與下級(jí)放大器的輸入端相連接輸出匹配網(wǎng)絡(luò):是用以輸出功率至天線或其他負(fù)載L1C1C2L2CARAr1IAMr'r1C1L1C1R'pL1IK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(dá)到最大值，亦即使天線幅射功率達(dá)到最大。從集電極向右方看去可以等效為一個(gè)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(fù)載。1.輸出匹配電路（1）并聯(lián)諧振回路型的匹配電路

RpRp當(dāng)天線回路調(diào)諧在串聯(lián)諧振狀態(tài)時(shí)，它反映到L1C1中介回路的等效電阻為設(shè)初級(jí)回路的接入系數(shù)為p，則晶體管輸出回路的等效負(fù)載為：r'r1C1L1C1R'pL1IKRpL1C1C2L2CARAr1IAMRp（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(fù)載電阻Rp，以達(dá)到阻抗匹配的目的。

（1）并聯(lián)諧振回路型的匹配電路由于高頻功率放大器工作在非線性（丙類）工作時(shí)，放大器的內(nèi)阻變動(dòng)劇烈：導(dǎo)通時(shí)，內(nèi)阻很??；截止時(shí)內(nèi)阻近于無(wú)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(fù)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如果設(shè)：r'r1C1L1C1R'pL1IKRp因此有：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(shuō)，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(lái)考慮，則QL值又應(yīng)該足夠大。從兼顧這兩方面出發(fā)，QL值一般不應(yīng)小于10。在功率很大的放大器中，QL也有低到10以下的。（2）濾波器型的匹配網(wǎng)絡(luò)在大功率輸出級(jí)，T型、Π型等濾波型的匹配網(wǎng)絡(luò)就得到了廣泛的應(yīng)用。圖中的R2一般代表終端(負(fù)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(jìn)行計(jì)算公式的推導(dǎo)。兩種Π型匹配網(wǎng)絡(luò)(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(luò)匹配時(shí)，R1'=R2'由諧振條件得:[例]有一個(gè)輸出功率為2W的高頻功率放大器、負(fù)載電阻RL=50Ω，EC=24V，f=50MHz，Q1=10，試求Π型匹配網(wǎng)絡(luò)的元件值。解:（2）濾波器型的匹配網(wǎng)絡(luò)L1R1C1R2=RLC2

R1應(yīng)該是功率放大器所要求的匹配電阻Rp,即L1C1'R1'C2'R2'網(wǎng)絡(luò)匹配時(shí)，R1'=R2'改寫為：解之得：

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

實(shí)際還有其它各種形式的匹配網(wǎng)絡(luò)。分析方法都很類似，即從匹配與諧振兩個(gè)條件出發(fā)，再加上一個(gè)假設(shè)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(duì)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(fù)雜，窄帶功率放大器的運(yùn)用就受到了很大的限制。

2.6寬帶高頻功率放大器與功率合成電路近年來(lái)一種新穎的，能夠在很寬的波段內(nèi)實(shí)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。寬帶功率放大器，實(shí)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(gè)重要的問(wèn)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(shuō)寬頻帶放大器是以犧牲效率作為代價(jià)來(lái)?yè)Q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2.6.1寬帶高頻功率放大器圖(b)中L、Ls1、r1是變壓器初級(jí)繞組的電感、漏感和損耗電阻；Ls2、r2是折合到初級(jí)后，次級(jí)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(jí)后的總和；R‘L是折合到初級(jí)后的等效負(fù)載電阻。在高頻端由于初級(jí)繞組電感的感抗很強(qiáng)，因此在高頻端等效電路中可以認(rèn)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(jì)，可以認(rèn)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(yīng)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(fù)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(fù)載兩端的電壓急劇增加，并在fs上達(dá)到最大值。但是，偏離諧振頻率fs，電壓將急劇減小。2.寬頻帶傳輸線變壓器的工作原理

傳輸線變壓器是將兩根等長(zhǎng)的導(dǎo)線緊靠在一起，并繞在高導(dǎo)磁率低損耗的磁芯上構(gòu)成的。最高工作頻率可擴(kuò)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(fù)載兩端的電壓不是次級(jí)感應(yīng)電壓，而是傳輸線的終端電壓。兩根導(dǎo)線緊靠在一起，所以導(dǎo)線任意長(zhǎng)度處的線間電容很大，且在整個(gè)線上均勻分布。其次，兩根等長(zhǎng)導(dǎo)線同時(shí)繞在高μ磁芯上，所以導(dǎo)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(dǎo)線間介質(zhì)中傳播的。（1）1:1傳輸線變壓器3.常用傳輸線變壓器分析

1:1傳輸線變壓器，又叫倒相變壓器。當(dāng)傳輸線無(wú)損時(shí)，可以認(rèn)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(shí)現(xiàn)傳輸線變壓器與負(fù)載的匹配，要求：為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(yīng)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(shí)際上，在各種放大電路中RL正好等于信號(hào)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(lái)作為倒相器，或進(jìn)行不平衡-平衡以及平衡-不平衡轉(zhuǎn)換。3.常用傳輸線變壓器分析usRsusususRsRsRLRLRLRLRsu1u1u2u2i2i1i1+i2（2）1:4和4:1傳輸線變壓器

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

由于