射頻功放設(shè)計(jì)

提高功率放大器的線性，是當(dāng)前微波電路設(shè)計(jì)研究的熱點(diǎn)。第七講1功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—工作頻帶工作頻帶是指放大器應(yīng)滿足全部性能指標(biāo)的連續(xù)頻率范圍。硅雙極型晶體管功率放大器和硅金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管功率放大器的工作頻率是從300MHz到4GHz（注：以上數(shù)據(jù)是1995年前水平），砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管功率放大器的工作頻率是從一吉赫到幾十吉赫。為了適應(yīng)通信技術(shù)的發(fā)展，專門開辟了標(biāo)準(zhǔn)通信頻道，工作帶寬從0.5GHz到1GHz，如表7-1所列。2功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—輸出功率1．飽和輸出功率當(dāng)功率放大器的輸入功率加大到某一值后，再加大輸入功率并不會(huì)改變輸出功率的大小，該輸出功率稱為功率放大器的飽和輸出功率。2．1dB壓縮點(diǎn)輸出功率P1dB功率放大器增益壓縮1dB所對(duì)應(yīng)的輸出功率稱為1dB壓縮點(diǎn)輸出功率，記作P1dB。最好的功率匹配并不能得到最好的增益匹配。通常高功率器件的增益低于低功率器件的增益。在寬帶系統(tǒng)中要想得到較好的功率輸出是很難實(shí)現(xiàn)寬帶匹配的。3功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—功率效率和功率附加效率4功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—交調(diào)失真5功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—三階交調(diào)6功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—三階交調(diào)(1)P1dB點(diǎn)三階交調(diào)系數(shù)M3(1dB)P1dB和M3(1dB)是度量微波功率放大器非線性的兩個(gè)不同指標(biāo)，它們之間有一定聯(lián)系。假定微波功率放大器是一個(gè)無(wú)慣性非線性網(wǎng)絡(luò)，且在P1dB點(diǎn)的幅度非線性很小，在上述兩個(gè)假設(shè)條件下，兩個(gè)角頻率為

1和

2的等幅信號(hào)輸入時(shí)，P1dB點(diǎn)的三階交調(diào)系數(shù)近似為由于理論分析中的假設(shè)，實(shí)際測(cè)量的誤差以及微波晶體管實(shí)際非線性特性優(yōu)劣程度的不一致，在工程估算時(shí)，常取M3(1dB)為–20dBc。這里還得注意，上式僅適用雙信號(hào)等幅情況，如果三信號(hào)等幅輸入時(shí)，上式就不適用了。7功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—三階交調(diào)(2)任意輸入功率的三階交調(diào)系數(shù)M3圖7-1是雙頻等幅信號(hào)輸入時(shí)基波信號(hào)輸出功率和三階交調(diào)功率對(duì)應(yīng)基波信號(hào)輸入功率的變化特性。由圖看出，基波信號(hào)輸出功率與輸入功率是1:1（dB數(shù)）變化關(guān)系，即輸入功率增加1dB時(shí)，輸出信號(hào)也增加1dB。三階交調(diào)產(chǎn)物與基波信號(hào)輸入功率是3:1（dB）變化關(guān)系，即基波信號(hào)輸入功率增加1dB，使三階交調(diào)系數(shù)M3惡化2dB。根據(jù)上述變化特性，任意輸入功率Pin時(shí)的三階交調(diào)系數(shù)M3可由下式估算

式中Pin——基波信號(hào)（

1或

2）輸入功率；Pin(1dB)——基波信號(hào)1dB增益壓縮點(diǎn)輸入功率。注意上式中各變量都是以dB為運(yùn)算單位。圖7-1中基波信號(hào)輸出功率特性延長(zhǎng)線與三階交調(diào)特性延長(zhǎng)線的交點(diǎn)稱為三階交調(diào)交截點(diǎn)。8功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—三階交調(diào)(3)三階交調(diào)交截點(diǎn)圖7-1中基波信號(hào)輸出功率特性延長(zhǎng)線與三階交調(diào)特性延長(zhǎng)線的交點(diǎn)稱為三階交調(diào)交截點(diǎn)，用符號(hào)IP3表示，對(duì)應(yīng)的輸出功率是P1，它也反映了微波功率放大器的非線性，當(dāng)輸出功率一定時(shí)，三階交調(diào)交截點(diǎn)輸出功率P1越大，微波功率放大器的線性就越好。由P1也可以估計(jì)三階交調(diào)系數(shù)式中，Pout是基波信號(hào)輸出功率。所有變量都是以dB為運(yùn)算單位，它只適用信號(hào)功率較小的情況。三階交調(diào)交截點(diǎn)比1dB壓縮點(diǎn)大10dB，它是放大器在A類工作時(shí)的一個(gè)假想點(diǎn)。9功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—三階交調(diào)10功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—二階交調(diào)(1)二階交調(diào)系數(shù)兩個(gè)角頻率為

1和

2的等幅基波信號(hào)同時(shí)輸入微波功率放大器時(shí)，非線性引起的二階交調(diào)（

2

1）失真比二次諧波（2

1和2

2）失真嚴(yán)重，大了6dB，它也比三階交調(diào)失真嚴(yán)重。由于二介交調(diào)是二階非線性引起的失真，從電路結(jié)構(gòu)的角度分析，可以用平衡電路減小這種失真。此外，在窄帶系統(tǒng)中，二階交調(diào)分量偏離基波信號(hào)頻率較遠(yuǎn)，可以采用濾波技術(shù)減小它對(duì)系統(tǒng)的影響，故設(shè)計(jì)窄帶功率放大器時(shí)并不考慮這一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。而在多信號(hào)寬帶傳輸系統(tǒng)（如電纜電視系統(tǒng)）中，二階交調(diào)產(chǎn)物是落在信號(hào)通道內(nèi)，此時(shí)，無(wú)法用濾波器去減小它對(duì)系統(tǒng)的影響，因此，設(shè)計(jì)寬帶功放時(shí)必須考察這一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。二階交調(diào)系數(shù)式中P2'——頻率為

2

1的二階交調(diào)功率；P1和P2——對(duì)應(yīng)角頻率

1和

2的信號(hào)輸出功率。因此，在多信號(hào)寬帶傳輸系統(tǒng)中，二階交調(diào)系數(shù)也是功率放大器非線性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它的大小取決于電路結(jié)構(gòu)及其工作狀況。11功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—二階交調(diào)2、二階交調(diào)交截點(diǎn)同三階交調(diào)交截點(diǎn)一樣，二階交調(diào)交截點(diǎn)是二階交調(diào)特性延長(zhǎng)線與基波信號(hào)輸出功率特性延長(zhǎng)線的交點(diǎn)。用符號(hào)IP2表示。二階交調(diào)產(chǎn)物與基波信號(hào)輸入功率呈2:1(dB)變化關(guān)系，即基波信號(hào)輸入功率增加1dB，使二階交調(diào)系數(shù)惡化1dB。圖7-2二階交調(diào)交截點(diǎn)12功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—三拍失真13功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—三拍失真14功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—交擾調(diào)制失真15功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—交擾調(diào)制失真16功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—交擾調(diào)制失真17功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—調(diào)幅—調(diào)相轉(zhuǎn)換1．調(diào)幅—調(diào)相效應(yīng)分析大信號(hào)通過(guò)微波功率放大器時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生相移，相移大小隨輸入信號(hào)功率的大小而變化，這種現(xiàn)象稱之為調(diào)幅—調(diào)相效應(yīng)。微波功率放大器可以看成是一個(gè)三階非線性系統(tǒng)，它的載波輸出信號(hào)同時(shí)含有一階及三階成分 （7-23）式中

s——基波信號(hào)的角頻率；k1和k3——非線性系統(tǒng)的一階和三階系數(shù)；A——基波輸入信號(hào)幅度。如果電路中包含容性非線性元件，則一階和三階系數(shù)之間就有相位差（既不是0

，也不是180

）。由式（7-23）看出，載波輸出信號(hào)的相位與輸入信號(hào)幅度有關(guān)。顯然，調(diào)幅—調(diào)相效應(yīng)是增益壓縮直接表現(xiàn)的結(jié)果，增益壓縮得越厲害，調(diào)幅—調(diào)相效應(yīng)就越強(qiáng)，電路進(jìn)入飽和狀態(tài)后，調(diào)幅—調(diào)相效應(yīng)將非常嚴(yán)重。在通信系統(tǒng)及圖象傳輸系統(tǒng)中，調(diào)幅—調(diào)相效應(yīng)的存在，會(huì)使群時(shí)延失真，微分相位、微分增益和交調(diào)失真變壞。因此希望盡可能減小功率放大嚦嚦的調(diào)幅—調(diào)相效應(yīng)。18功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—調(diào)幅—調(diào)相轉(zhuǎn)換19功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—調(diào)幅—調(diào)相轉(zhuǎn)換4、交調(diào)噪聲在單載波工作時(shí)，由于采用恒定包絡(luò)的調(diào)制方式（如FM制），調(diào)幅—調(diào)相效應(yīng)的影響可以忽略不計(jì)。但在多載波工作時(shí)，由于每個(gè)載波頻率不等，合成后一定會(huì)出現(xiàn)包絡(luò)起伏，這種起伏經(jīng)過(guò)調(diào)幅—調(diào)相轉(zhuǎn)換成非線性效應(yīng)，也會(huì)產(chǎn)生三階交調(diào)失真及三拍失真。該分量與基波的比是 （2f1–f2）項(xiàng)： （f1+f2–f3）項(xiàng)：式中n——載波數(shù)；Kp——調(diào)幅—調(diào)相轉(zhuǎn)換系數(shù)。隨著載波數(shù)n的增加，所有三階交調(diào)失真及三拍失真都將減小。20功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—諧波失真21功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—輸入輸出駐波比大功率管的輸入阻抗和輸出阻抗都很低，BJT的輸入阻抗實(shí)部只有幾個(gè)歐姆，與50

系統(tǒng)失配得比較厲害。而MESFET的輸入阻抗較高，與50

系統(tǒng)失配得也很大，失配嚴(yán)重時(shí)，會(huì)損壞功率管。輸入、輸出駐波比變壞還會(huì)使系統(tǒng)的增益起伏和群遲延變壞，因此功率放大器的輸入、輸出駐波比應(yīng)該滿足一定要求。在大容量數(shù)字通信系統(tǒng)中，功率放大器的輸入、輸出駐波比取1.2:1，而在一般系統(tǒng)中，功率放大器的輸入、輸出駐波比可以取到2:1。它也是設(shè)計(jì)微波功率放大器時(shí)必須考慮的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。22功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—增益平坦度與增益斜率1．增益平坦度增益平坦度是一項(xiàng)普通指標(biāo)，它說(shuō)明功率放大器增益在一定頻率范圍內(nèi)的變化大小。增益平坦度應(yīng)該是在50

負(fù)載情況下定義，而組成實(shí)際系統(tǒng)的部件存在不同程度的反射。因此，實(shí)際系統(tǒng)并不是理想50

系統(tǒng)，故實(shí)際系統(tǒng)的增益平坦度比各個(gè)部件測(cè)出的增益平坦度要大。例如在平衡放大器中，信號(hào)端和負(fù)載端接得不是理想50

時(shí)，增益平坦度會(huì)變壞，最壞情況是其中式中

G——總增益起伏量； [

G]S(或L)——信號(hào)端（或負(fù)載端）增益起伏量； (VSWR)A——放大器駐波比； (VSWR)S(或L)——信源端（或負(fù)載端）駐波比。在一些要求十分苛刻的系統(tǒng)中，必須采用CAD技術(shù)，精確計(jì)算功率放大器帶內(nèi)的增益起伏，計(jì)算值應(yīng)盡可能小，其最小值取決計(jì)算機(jī)運(yùn)算精度。同時(shí)，盡可能減小輸入、輸出駐波比對(duì)增益起伏的影響。23功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—增益平坦度與增益斜率2、增益斜率增益斜率并不是對(duì)所有系統(tǒng)都提出要求，而僅僅是數(shù)字通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。它是指功率放大器在指定的輸出功率情況下，在一路信號(hào)通帶（或一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器通帶）內(nèi)增益對(duì)頻率的變化率，單位是每兆赫帶寬內(nèi)的增益變化量。例如用于衛(wèi)星地面站的5W功率放大器，帶寬500MHz，增益斜率

0.02dB/MHz（在任意40MHz內(nèi)、輸出功率5W時(shí)）。24功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—寄生雜波仔細(xì)地設(shè)計(jì)和充分地試驗(yàn)就可以把寄生雜波減到最小，但是要把所有可能引起寄生雜波的條件合在一起去同時(shí)檢驗(yàn)是不可能的。例如，濾波器在工作頻帶內(nèi)匹配性能較好，同時(shí)在帶外恰好是嚴(yán)重失配，這種情況就比較復(fù)雜，也不好模擬。如果懷疑系統(tǒng)存在寄生雜波，最好先檢查功率放大器。圖7-3諧波及寄生雜波1．寄生雜波分析寄生雜波是系統(tǒng)中不需要的那些信號(hào)，是功率放大器放大過(guò)程中引起的一種信號(hào)失真，它與輸入信號(hào)不是諧波關(guān)系，如圖7-3所示。這些寄生雜波絕大部分是在高驅(qū)動(dòng)電平或輸入與輸出嚴(yán)重失配時(shí)出現(xiàn)的。25功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—寄生雜波2、無(wú)寄生雜波動(dòng)態(tài)范圍無(wú)寄生雜波動(dòng)態(tài)范圍是允許信號(hào)的輸入功率范圍，在這個(gè)輸入功率范圍內(nèi)，系統(tǒng)中將不存在寄生雜波。無(wú)寄生雜波動(dòng)態(tài)范圍的最大功率主要取決于系統(tǒng)的增益、三階交截點(diǎn)和噪聲電平；而最小功率主要取決于噪聲系數(shù)和噪聲帶寬。這個(gè)范圍可以確保從放大器輸出的信號(hào)不會(huì)有任何失真。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)較好的無(wú)寄生雜波動(dòng)態(tài)范圍，要求功率放大器噪聲盡可能小，三階交截點(diǎn)盡可能高。然而低噪聲器件的輸出功率較低，而高功率器件的噪聲系數(shù)較大，需要折衷考慮。3．技術(shù)指標(biāo)寄生雜波是以載波參考電平，以dBc為單位。一般要求在–60dBc以下。26功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)—微波輻射大功率放大器的微波輻射將直接干擾系統(tǒng)的正常工作。產(chǎn)生微波輻射的主要原因是功率放大器的屏蔽不好，也可能是連接用的電纜外導(dǎo)體屏蔽性能不好或者接頭安裝不好等原因而引起的泄漏。因此在設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)要注意接頭的安裝，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要有良好的屏蔽性能，電纜應(yīng)選用屏蔽性能較好的產(chǎn)品。27基本電路結(jié)構(gòu)與電路原理微波晶體管功率放大器工作狀態(tài)與低頻晶體管功率放大器一樣，有甲類、甲乙類、乙類及丙類四種工作狀態(tài)，分類的方法也相同。不同的工作狀態(tài)適用不同的需要。匹配電路元件可以是集中參數(shù)、半集中參數(shù)及分布參數(shù)。28工作狀態(tài)1．雙極型晶體管功率放大器BJT功率放大器按BJT不同的直流工作點(diǎn)劃分為甲類、乙類、甲乙類和丙類四種工作狀態(tài)，圖7-10是BJT的伏安特性曲線。圖中1號(hào)區(qū)域是發(fā)生雪崩擊穿的區(qū)域；2號(hào)區(qū)域的電流較小，使信號(hào)截止；3號(hào)區(qū)域的電壓較低，使信號(hào)飽和；4號(hào)區(qū)域的工作電流已超出極限工作電流；5號(hào)區(qū)域的功耗已超出額定功耗，中間部分是線性工作區(qū)。圖7-11是BJT功率放大器四種工作狀態(tài)的偏置點(diǎn)。圖7-10BJT的伏安特性圖7-11BJT功放四種工作狀態(tài)的偏置點(diǎn)29工作狀態(tài)（1）甲類工作狀態(tài)如圖7-12所示，功率放大器在信號(hào)周期內(nèi)始終存在工作電流，即導(dǎo)通角為360

，此時(shí)，功率放大器處于甲類工作狀態(tài)。甲類功率放大器的優(yōu)點(diǎn)是線性好、失真小，較好的噪聲系數(shù)，在1dB壓縮點(diǎn)以下具有幾乎不失真的脈沖響應(yīng)，在不同輸出電平時(shí)的通帶起伏小和在不同輸出電平時(shí)的相位和增益不變。它的缺點(diǎn)是效率不高、較大的熱損耗和尺寸大。甲類功率放大器適用于行波管替代器，掃頻儀、綜合器、信號(hào)放大級(jí)、電視信號(hào)放大器、短脈沖放大器和干擾發(fā)射機(jī)等。30工作狀態(tài)（2）乙類工作狀態(tài)功率放大器在信號(hào)周期內(nèi)只有半個(gè)周期存在工作電流，即導(dǎo)通角

為180

，乙類功率放大器在靜態(tài)時(shí)，BJT幾乎沒有靜態(tài)電流，即管耗接近零。為了減小失真，通常采用互補(bǔ)對(duì)稱電路，它的效率在70%以上，每個(gè)功率管的最大功耗是電路最大輸出功率的20%，通常用此關(guān)系作為乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器選擇功率管的依據(jù)。上述關(guān)系是在理想情況下計(jì)算得到的，因此在實(shí)際電路中被選管子的功耗應(yīng)大于20%。由于乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大器工作在零偏置狀態(tài)。而BJT導(dǎo)通要求一定的基極電流iB，因此，當(dāng)輸入信號(hào)低于某一值時(shí)，管子不通導(dǎo)，即在信號(hào)周期內(nèi)出現(xiàn)一段不工作區(qū)，使信號(hào)失真，這種現(xiàn)象稱為交越失真，如圖7-14所示。為了減小和克服交越失真，通常使晶體管具有較小的正偏置，使集電極靜態(tài)電流是最大設(shè)計(jì)值的1%~10%。此時(shí)，功率放大器處于甲乙類工作狀態(tài)，如圖7-15所示，導(dǎo)通角

略大于180

。圖7-14乙類功放的交越失真31工作狀態(tài)15dB到30dB，交調(diào)失真特性也不夠好，在低射頻輸入時(shí)通帶的起伏較大。甲乙類功率放大器適用于電子干擾發(fā)射機(jī)、功率放大器、發(fā)射機(jī)、高功率行波管替代器和電視放大等。(3)甲乙類工作狀態(tài)甲乙類功放的優(yōu)點(diǎn)是輸出功率功率較大，可以高達(dá)幾千瓦，有較高的效率，尺寸緊湊，線性也比較好，失真小，工作溫度較低，因而可靠性也高，用得比較廣泛。但它的不足之處是動(dòng)態(tài)范圍有限，一般從32工作狀態(tài)丙類功放的優(yōu)點(diǎn)是效率非常高，尺寸緊湊，輸出功率高，可達(dá)幾千瓦，工作溫度比乙類還要低，可靠性較高，在要求失真不嚴(yán)的系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。它的最大缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍非常窄，只能在0dB到6dB范圍內(nèi)變化，如果信號(hào)減小到額定電平以下，丙類功放將呈現(xiàn)急劇變化的趨勢(shì)。此外，丙類功放不能用于調(diào)幅信號(hào)的放大。丙類功率放大器適用于對(duì)流層散射通信系統(tǒng)、電子干擾機(jī)、行波管替代器、戰(zhàn)術(shù)空軍導(dǎo)航系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)。（3）丙類工作狀態(tài)如圖7-16所示，功率放大器在信號(hào)周期內(nèi)存在工作電流的時(shí)間不到半個(gè)周期，即導(dǎo)通角

小于180

。此時(shí)，功率放大器處于丙類工作狀態(tài)。33匹配電路成功地設(shè)計(jì)固態(tài)微波功率放大器的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。在任何一個(gè)微波功率放大器設(shè)計(jì)中，錯(cuò)誤的阻抗匹配將使電路不穩(wěn)定，同時(shí)會(huì)使電路效率降低和非線性失真加大。在設(shè)計(jì)功率放大器匹配電路時(shí)，匹配電路應(yīng)同時(shí)滿足匹配、諧波衰減、帶寬、小駐波、線性及實(shí)際尺寸等多項(xiàng)要求。當(dāng)有源器件一旦確定后，可以被選用的匹配電路是相當(dāng)多的，企圖把可能采用的匹配電路列成完整的設(shè)計(jì)表格幾乎是不現(xiàn)實(shí)的。設(shè)計(jì)單級(jí)功率放大器主要是設(shè)計(jì)輸入匹配電路和輸出匹配電路；設(shè)計(jì)兩級(jí)功率放大器除了要設(shè)計(jì)輸入匹配電路和輸出匹配電路外，還需要設(shè)計(jì)級(jí)間匹配電路。34輸入匹配電路和輸出匹配電路（1）輸入匹配電路輸入匹配電路和輸出匹配電路主要是對(duì)一端是50

，另一端是實(shí)數(shù)部分較小的復(fù)數(shù)阻抗進(jìn)行匹配。當(dāng)大功率管的輸入阻抗是容性、低電阻值時(shí)，通?？梢圆捎孟率鑫宸N輸入匹配電路圖7-17輸入匹配電路（a）電路A；（b）電路B；（c）電路C；（d）電路D；（e）電路E。當(dāng)大功率管的等效輸入阻抗呈感性，它的實(shí)部比較小時(shí)，可以采用并聯(lián)電容的輸入匹配電路，把等效輸入阻抗中的電感分量諧振掉，這種輸入匹配電路應(yīng)該是低通匹配網(wǎng)絡(luò)，能匹配較低的阻抗。通常，輸入匹配電路的諧振電容可以用微帶短截線實(shí)現(xiàn)。當(dāng)放大器的工作頻率及功率管選定后，諧振實(shí)阻抗值可能小于50

，也可能是很大的數(shù)值。當(dāng)諧振實(shí)阻抗低于50

時(shí)，低通匹配電路很容易使它與50

阻抗匹配。35輸入匹配電路和輸出匹配電路（1）輸入匹配電路如果采用微帶匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，諧振實(shí)阻抗不能太高，原因是用低通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)把高阻抗降到50

時(shí)要用到串聯(lián)高阻抗傳輸線。該傳輸線的特性阻抗至少高于諧振實(shí)阻抗，達(dá)一倍以上，這就使串聯(lián)高阻抗傳輸線非常窄，加大了匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗，加大了工藝難度，有時(shí)甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在尺寸允許時(shí)，可以采用四分之一波長(zhǎng)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)。輸出匹配電路確定后，功率放大器的輸出功率及效率也基本確定了，但是它的增益平坦度并不一定滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。這時(shí)，需要合理設(shè)計(jì)輸入匹配電路以便使增益平坦度滿足要求。設(shè)計(jì)輸入匹配電路時(shí)，還應(yīng)考慮輸入駐波比不能太大，在設(shè)計(jì)頻帶要求較寬時(shí)，這個(gè)問題顯得特別突出，頻帶越寬設(shè)計(jì)難度越大。為了改善輸入駐波比性能，可以采用鐵氧體隔離器，也可以采用平衡放大器技術(shù)。36輸入匹配電路和輸出匹配電路（2）輸出匹配電路輸出匹配電路主要應(yīng)具備損耗低，諧波抑制度高，改善駐波比，提高輸出功率及改善非線性等功能。①諧波抑制。功率放大器的非線性特性使輸出不僅包含基波信號(hào)，同時(shí)還存在各項(xiàng)諧波，諧波幅度大小與基波信號(hào)大小呈一定的比例關(guān)系。在大功率放大器中，由于基波功率比較大，因此諧波功率也比較大，特別是2次諧波和3次諧波，它們對(duì)系統(tǒng)的影響是不可忽略的。為了減小諧波功率輸出，通常輸出匹配電路采用低通結(jié)構(gòu)或帶通結(jié)構(gòu)。在采用帶通結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)消除寄生通帶的影響。當(dāng)要求諧波輸出非常小，單靠上述匹配電路是不能滿足對(duì)諧波的抑制，還需要加帶阻濾波網(wǎng)絡(luò)。②改善駐波比。功率放大器匹配電路設(shè)計(jì)不完善會(huì)使功率放大器輸出駐波比較大，因此會(huì)加大帶內(nèi)增益起伏，產(chǎn)生寄生信號(hào)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生自激振蕩和燒毀功率管。因此，在設(shè)計(jì)輸出匹配電路時(shí)必須使駐波比較小。37輸入匹配電路和輸出匹配電路（2）輸出匹配電路③低損耗。在大功率放大器中，由于輸出功率較大，輸出電路有一點(diǎn)損耗就會(huì)有較大功率損失，并且，在輸出電路板上轉(zhuǎn)成熱耗，從而使電路的可靠性變差。例如，連續(xù)波輸出功率為200W，輸出匹配電路損耗為1dB，則耗散在輸出匹配電路上的功率高達(dá)40W以上。輸出功率越大，輸出匹配電路上所耗散的功率越大。因此，在設(shè)計(jì)大功率放大器時(shí)，應(yīng)該盡可能減小輸出匹配電路的損耗。④線性。由非線性分析知道，功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)是與負(fù)載有關(guān)的，因此在設(shè)計(jì)輸出匹配電路時(shí)，必須考慮線性指標(biāo)的要求。負(fù)載選擇應(yīng)確保線性最好。⑤效率。功率放大器的效率除了取決于晶體管的工作狀態(tài)、電路結(jié)構(gòu)、負(fù)載等因素外，還與輸出匹配電路密切相關(guān)。要求輸出匹配電路保證基波功率增益最大，諧波功率增益最小，損耗盡可能小和良好的散熱裝置。38級(jí)間匹配電路級(jí)間匹配電路除了與輸入匹配電路一起實(shí)現(xiàn)平坦增益特性外，還應(yīng)具備級(jí)間隔直流功能。有關(guān)隔直流電路的設(shè)計(jì)內(nèi)容可以參考第六講低噪聲放大器有關(guān)內(nèi)容。兩級(jí)功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)不僅取決于末級(jí)功率放大器，同時(shí)還取決于末前級(jí)功率放大器。39平衡功率放大器在設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)增益平坦、電路穩(wěn)定及輸出功率等指標(biāo)，功率放大器不可能完全匹配。為了改善功率放大器的匹配性能，通常采用平衡功率放大器。平衡功率放大器有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）在設(shè)計(jì)單端功率放大器時(shí)，為了滿足平坦增益及穩(wěn)定性要求，失配往往很厲害；而在設(shè)計(jì)平衡功率放大器時(shí)，只要保證配對(duì)的功率晶體管性能一致，則合成網(wǎng)絡(luò)可以改善由于單端功率放大器引起的失配。因此，平衡功率放大器在實(shí)現(xiàn)平坦功率增益和穩(wěn)定性的同時(shí)，又有較好的匹配性能，通常可實(shí)現(xiàn)1個(gè)倍頻程帶寬，做得好時(shí)帶寬接近2個(gè)倍頻程。（2）級(jí)間很易隔離，因此級(jí)間的調(diào)整工作量比較小。（3）由于匹配性能好，反射小，因此電路工作穩(wěn)定。（4）當(dāng)電路中某一個(gè)晶體管損壞時(shí)，僅僅使功率放大器總增益下降6dB，對(duì)有些系統(tǒng)，這種增益下跌還不會(huì)使系統(tǒng)受到致命打擊。（5）在線性功率放大器設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用平衡功率放大器來(lái)改善線性指標(biāo)。（6）在實(shí)現(xiàn)多級(jí)功率放大器時(shí)，平衡功率放大器的調(diào)整比不平衡功率放大器要少得多。圖7-18平衡功率放大器40平衡功率放大器圖7-18是平衡功率放大器，它由3dB90

移相分配、合成網(wǎng)絡(luò)可以采用交叉指定向耦合器結(jié)構(gòu)，也可以采用Wilkinson功率分配、合成網(wǎng)絡(luò)并附加一段90

移相傳輸線。3dB90

移相網(wǎng)絡(luò)起到了改善功率放大器（含移相器）的輸入端口和輸出端口的匹配情況。平衡功率放大器的性能優(yōu)劣直接取決于兩個(gè)放大器的一致程度，放大器的駐波比，分配、合成網(wǎng)絡(luò)3dB90

移相的準(zhǔn)確程度，損耗及散熱。圖7-18平衡功率放大器41功率合成1．管芯合成管芯合成是把多個(gè)管芯聚集在長(zhǎng)度比波長(zhǎng)小的區(qū)域上，然后加上輸入匹配