高頻第3章 功率放大器

第3章高頻功率放大器

3.1概述3.2諧振式高頻功率放大器的工作原理3.3諧振功率放大器的折線分析法3.4丙類(lèi)高頻功率放大電路3.6寬頻帶高頻功率放大器3.7功率合成3.1概述一、高頻功率放大器的功能

※功能：用小功率的高頻輸入信號(hào)去控制高頻功率放大器將直流電源供給的能量轉(zhuǎn)換為大功率的高頻能量輸出。其輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的頻譜相同。二、高頻功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)高頻輸出功率：Po效率ηc：輸出功率Po/直流電源功率P=三、高頻功率放大器的分類(lèi)

※分為窄帶放大器和寬帶放大器兩類(lèi)。高頻功率放大器希望輸出中的諧波分量盡可能小，以免對(duì)其它頻道產(chǎn)生干擾。國(guó)際對(duì)諧波輻射規(guī)定是：

(1)對(duì)中波廣播來(lái)說(shuō)，在空間任一點(diǎn)的諧波場(chǎng)強(qiáng)不得超過(guò)基波場(chǎng)強(qiáng)的0.02%。

(2)無(wú)論電臺(tái)的功率有多大，在距電臺(tái)一公里處的諧波場(chǎng)強(qiáng)不得大于50μV/m。在一般情況下，假如任一諧波的輻射功率不超過(guò)25mW，即可認(rèn)為滿足上述要求。3.2諧振高頻功率放大器的工作原理一、基本電路及其特點(diǎn)

高頻功率放大器：濾除晶體管工作在非線性特性產(chǎn)生的諧波分量功率匹配濾波以及阻抗變換輸入信號(hào)基極靜態(tài)偏置集電極靜態(tài)偏置

二、工作原理

ic可用傅氏級(jí)數(shù)展開(kāi)為

ic=Ic0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…+Icnmcosnωt

式中，Ic0為集電極電流的直流分量；Ic1m為集電極電流的基波電流振幅；Ic2m，…Icnm分別為集電極電流的二次至n次諧波電流振幅。脈沖形狀的集電極電流ic流經(jīng)諧振回路時(shí)，只有基波電流才產(chǎn)生電壓降，即回路兩端只有基波電壓。因而輸出的高頻電壓信號(hào)的波形沒(méi)有失真?；芈穬啥说幕妷赫穹鵘cm=Ic1mRp

式中，Rp為諧振回路的有載諧振電阻。各級(jí)電壓和電流波形3.3諧振功率放大器的折線分析法一、晶體管特性曲線的理想化及其解析式在大信號(hào)工作條件下，理想化特性曲線的原理就是認(rèn)為，在放大區(qū)集電極電流和基極電流不受集電極電壓影響，而又與基極電壓成線性關(guān)系。在飽和區(qū)集電極電流與集電極電壓成線性關(guān)系，而不受基極電壓的影響。

斜率g分段折線化處理正向傳輸特性曲線的理想化二、集電極余弦電流脈沖的分解

(一)余弦電流脈沖的表示式余弦電流脈沖是由脈沖高度IcM和通角θc來(lái)決定的。只要知道這兩個(gè)值，脈沖形狀便可完全確定。設(shè)激勵(lì)信號(hào)為ub=Ubmcosωt，則ube=Vbb+Ubmcosωt。而晶體管理想化正向傳輸特性可表示為

ic=0

ube<Ubz

ic=gc(ube-Ubz)

ube≥Ubz

將ube代入式中可得ic=gc(Vbb+Ubmcosωt-Ubz)（1）當(dāng)ωt=θ時(shí)，ic=0（2）當(dāng)ωt=0時(shí)，ic=Icm

UbmcosθUbm（1-cosθ）

(二)余弦電流脈沖的分解系數(shù)周期性的電流脈沖可以用傅氏級(jí)數(shù)分解為直流分量、基波分量及高次諧波分量

ic=Ic0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…+Icnmcosnωt其中：三、高頻功率放大器的功率與效率

直流電源Vcc供給的直流功率：P==VccIco高頻一周的平均輸出功率：晶體管集電極損耗功率：Pc=P=-Po集電極效率式中，集電極電壓利用系數(shù)：ξ=Ucm/Vcc；波形系數(shù)：g1(θc)=Ic1m/Ico=α1(θc)/αo(θc)四、高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)特性

放大器的動(dòng)態(tài)特性：在晶體管、電源電壓Vcc和Vbb、輸入信號(hào)振幅Ubm和輸出信號(hào)振幅Ucm(或Rp)一定的條件下，ic=f(ube,uce)的關(guān)系。由于是工作于丙類(lèi)狀態(tài)，高頻功率放大器的動(dòng)態(tài)特性不是一條直線，而是折線。當(dāng)放大器工作于諧振狀態(tài)時(shí)gdB動(dòng)態(tài)線折線化轉(zhuǎn)移特性和輸出特性曲線：

ic=gc(ube-Ubz)

gd=-gcUbm/Ucm，

在uce軸上的截距為

功率放大器通常是按晶體管集電極電流通角θc不同劃分為甲類(lèi)、乙類(lèi)和丙類(lèi)放大器。諧振功率放大器的工作狀態(tài)分為欠壓、臨界和過(guò)壓三種狀態(tài)。三種不同工作狀態(tài)(欠壓、臨界和過(guò)壓)的電壓和電流波形。五、高頻功率放大器的負(fù)載特性負(fù)載特性是指在晶體管及Vcc、Vbb、Ubm一定時(shí)，改變回路諧振電阻Rp，高頻功率放大器的工作狀態(tài)、電流、電壓、功率和效率隨Rp變化的關(guān)系。

結(jié)論:1、在欠壓工作狀態(tài)的大部分范圍內(nèi)，當(dāng)Rp=0，即負(fù)載短路時(shí)，集電極損耗功率Pc達(dá)最大值，有可能使功率晶體管燒壞。因此，在調(diào)整諧振功率放大器的過(guò)程中，必須防止負(fù)載短路。3、在過(guò)壓工作狀態(tài)，當(dāng)諧振電阻變化時(shí)，輸出信號(hào)電壓振幅Ucm變化較小，多用于需要維持輸出電壓比較平穩(wěn)的場(chǎng)合，如發(fā)射機(jī)的中間放大級(jí)。2、在臨界工作狀態(tài)，輸出功率最大，且集電極效率也高，常用于發(fā)射機(jī)的功率輸出級(jí)。六、各級(jí)電壓變化對(duì)工作狀態(tài)的影響

(一)改變集電極電源電壓對(duì)工作狀態(tài)的影響當(dāng)集電極電源電壓由大變小時(shí)，高頻功率放大器的工作狀態(tài)是由欠壓狀態(tài)變到臨界狀態(tài)，然后進(jìn)入過(guò)壓狀態(tài)。改變Vcc對(duì)工作狀態(tài)的影響

(二)改變Ubm對(duì)工作狀態(tài)的影響高頻功率放大器的工作狀態(tài)應(yīng)由臨界狀態(tài)進(jìn)入過(guò)壓狀態(tài)。因?yàn)檫^(guò)壓狀態(tài)的電流脈沖為凹頂脈沖，動(dòng)態(tài)特性的斜率gd=-gcUbm/Ucm。在過(guò)壓區(qū)，隨Ubm增大，Ucm增大緩慢。也就是說(shuō)gd要略為增加。改變Ubm對(duì)工作狀態(tài)的影響改變Ubm對(duì)電流和功率的影響

(三)改變Vbb對(duì)工作狀態(tài)的影響高頻功率放大器的工作狀態(tài)將由臨界狀態(tài)變成過(guò)壓狀態(tài)。隨著Vbb的增加，工作狀態(tài)由欠壓至臨界，然后進(jìn)入過(guò)壓。在欠壓狀態(tài)，隨著Vbb的增大，IcM增大，Ic0和Ic1m隨Ubm增大而增大，但不是線性關(guān)系。在過(guò)壓狀態(tài)，隨著Vbb增大，IcM略增，但凹頂脈沖的分解系數(shù)小，故Ic0和Ic1m隨Vbb增大而略增。改變Vbb對(duì)工作狀態(tài)的影響3.4丙類(lèi)高頻功率放大電路輸入、輸出回路在諧振功率放大器中的作用：提供放大器所需的正常偏置；實(shí)現(xiàn)濾波(調(diào)諧于基波頻率)；保證阻抗匹配。它由直流饋電電路和匹配網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。串饋，將電子器件、負(fù)載回路和電源三部分是串聯(lián)起來(lái)。并饋，將電子器件、負(fù)載回路和電源三部分并聯(lián)起來(lái)一、直流饋電電路晶體管高頻功率放大器的直流饋電電路分為集電極饋電電路和基極饋電電路兩類(lèi)。(一)集電極饋電電路(二)基極饋電電路基極饋電電路的組成也有串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電兩種形式?；鶚O饋電的兩種形式二、匹配網(wǎng)絡(luò)

由于高頻功率放大器工作于非線性狀態(tài)，因此線性電路的阻抗匹配（負(fù)載阻抗與電源內(nèi)阻相等）概念已不適用。高頻功放的阻抗匹配的概念是：在給定的電路條件下，改變負(fù)載回路的可調(diào)元件，使電子器件送出額定的輸出功率PO至負(fù)載。這就叫達(dá)到了匹配狀態(tài)。常用的的匹配網(wǎng)絡(luò)有T型、L型選頻匹配網(wǎng)絡(luò)。3.6寬頻帶高頻功率放大器窄帶高頻功率放大器寬帶高頻功率放大器適用于固定頻率或頻率變化范圍較小的高頻設(shè)備一般工作在丙類(lèi)狀態(tài)適用于頻率相對(duì)變化范圍較大的短波、超短波的高頻設(shè)備工作在甲類(lèi)、甲乙類(lèi)一、高頻傳輸線變壓器的特性及原理信號(hào)電壓由1、3端把能量加到傳輸線變壓器，經(jīng)過(guò)傳輸線的傳輸，在2、4端將能量饋給負(fù)載。傳輸線變壓器在高頻段和低頻段上，傳送能量的方式是不同的：在高頻時(shí)，主要通過(guò)電磁能交替變換的傳輸線方式傳送。在低頻時(shí)，將同時(shí)通過(guò)傳輸線方式和磁耦合方式進(jìn)行傳送。頻率越低，傳輸線傳輸能量的效率就越差，就更多地依靠磁耦合方式來(lái)進(jìn)行傳送。二、寬頻帶傳輸線變壓器電路

(一)1∶1傳輸線變壓器在RL=ZC=RS的條件下，在RL上可獲得最大功率。

(二)1∶4阻抗變換傳輸線變壓器

1∶4傳輸線變壓器可以起一個(gè)1∶4阻抗變換器的作用，即RS∶RL=1∶4。在最佳匹配條件下，Rs=Zi=Zc/2=RL/4。這個(gè)傳輸線變壓器相當(dāng)于1∶4阻抗變換器。1∶4傳輸線變壓器(三)4∶1阻抗變換傳輸線變壓器在最佳匹配條件下，RS=Zi=2Zc=4RL。4∶1阻抗變換器3.7功率合成一、高頻功率合成的一般概念功率合成電路的原理是用N個(gè)相同的功率放大器，通過(guò)混合電路使其輸出功率在公共負(fù)載上疊加起來(lái)，即總輸出功率PL=NP1。對(duì)功率合成器的要求是：

1.如果每個(gè)放大器的輸出幅度相等，供給匹配負(fù)載的額定功率均為P1，那么，N個(gè)放大器在負(fù)載上的總功率應(yīng)為NP1。

2.合成器的輸入端應(yīng)彼此相互隔離，其中任何一個(gè)功率放大器損壞或出現(xiàn)故障時(shí)，對(duì)其他放大器的工作狀態(tài)不發(fā)生影響。

3.當(dāng)一個(gè)或數(shù)個(gè)放大器損壞時(shí)，要求負(fù)載上的功率下降要盡可能的小。

4.滿足寬頻帶工作要求。在一定通帶范圍內(nèi)，功率輸出要平穩(wěn)，幅度及相位變化不能太大，同時(shí)保證阻抗匹配要求。二、功率合成網(wǎng)絡(luò)

(一)反相激勵(lì)合成網(wǎng)絡(luò)反相激勵(lì)合成網(wǎng)絡(luò)

A、B兩端加以反相激勵(lì)電壓。通常RA=RB=ZC=R，RC=ZC/2=R/2，RD=2ZC=2R。在A點(diǎn)IA=I1+ID

在B點(diǎn)IB=ID-I1

上二式相減，得2I1=0，即I1=0，ID=IA。RD上獲得功率為

PD=IA(2U)=2UIA

而A、B兩端每邊的輸出功率為PA=PB=UIA

因此，PD=PA+PB=2PA

因?yàn)镮1=0，所以RC上的功率PC=0，即C點(diǎn)處沒(méi)有功率輸出。(二)同相激勵(lì)合成網(wǎng)絡(luò)A、B兩端加以同相激勵(lì)電壓。通常取RA=RB=ZC=R,RC=ZC/2=R／2,RD=2ZC=2R。同相激勵(lì)合成網(wǎng)絡(luò)在A點(diǎn)IA=I1+ID

在B點(diǎn)IB=I1-ID

上二式相減，得出2ID=0，即ID=0，IA=I1，IB=I1。RC上獲得功率為PC=(2I1)2RC=2I12R=2IA2R

因?yàn)镽A=RB=R，每一功率源送給負(fù)載的功率為

PA=IA2RPB=IB2R

因此，可得PC=PA+PB。由此可見(jiàn)，當(dāng)A、B