第3章高频功率放大器

第3章高频功率放大器一、本章的基本要求（1）掌握丙类谐振功率放大器的工作原理及其特点。（2）掌握谐振功率放大器三种工作状态的特点以及负载特性；了解集电极直流电源，基极直流电源以及基极输入电压对工作状态的影响。（3）掌握谐振功率放大器电路的组成，了解谐波匹配网络的作用。（4）了解传输线变压器的工作原理以及阻抗变换，功率合成与分配技术二、重点和难点重点：（1）丙类谐振功率放大器的工作原理及其特点。（2）谐振功率放大器三种工作状态以及负载特性。（3）谐振功率放大器电路的组成。（4）传输线变压器阻抗变换原理。难点：（1）谐振功率放大器特性分析。（2）LC网络的阻抗变换原理及电路参数的计算。（3）传输线变压器功率合成与分配原理。引言1、使用高频功率放大器的目的放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。2、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题①高效率输出②高功率输出联想对比：高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和高。3、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负载均为谐振回路。不同之处：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；晶体管动态范围不同。4、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同共同之处:都要求输出功率大和效率高。功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小)，其工作状态通常选为丙类工作状态(c＜90)，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。工作状态功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。3.1谐振功率放大器的工作原理1、原理电路晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用，谐振回路LC是晶体管的负载，电路工作在丙类工作状态。图3-1谐振功率放大器的基本电路外部电路关系式：)cos(tUVuimBBBE（3-1）)cos(tUVucmCCCE（3-2）2电流电压波形当基极输入一余弦高频信号iu，可以得到上式的输入电压情况，在某一时刻，当输入的基极电压大于基极的门槛电压值时，这个基极开始导通，放大器处于放大状态，在基极会产生基极电流，基极电流电流对应产生集电极电流，由于在输入电压含有直流电压源，所以得出的基极电流和集电极电流中含有直流成分，使得输出的基极和集电极电流是脉冲电流，脉冲电流可以用傅里叶级数来进行表示，讲集电极电流用傅里叶级数展开，可以得到)cos()cos(10nwtIwtIIicnmmccc（3-3）式中，0cI表示集电极电流的直流分量，cnmmcII1分别表示集电极电流的基波和各次谐波分量。图3-2高频功率放大器中电压与电流的关系3、谐振功率放大器的功率关系和效率由前述所知：功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出去。有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。PD=直流电源供给的直流功率；Po=交流输出信号功率；Pc=集电极耗散功率；根据能量守衡定理：cDPPP0（3-4）直流功率：0CCCDIVP（3-5）输出交流功率：ecmcmmcRUUIP221219（3-6）cmU为并联谐振回路输出电压的最大值mcI1为集电极基波分量eR为调谐在基波状态下的等效电阻故集电极效率：)(21)()(2121101010gVUVUIIPPCCcmcccmcmcDc（3-7）cccmVU)()()(011g式中，为集电极电压利用系数)(1g为波形系数由上式可以得出以下两点结论：1)设法尽量降低集电极耗散功率Pc，则集电极效率c自然会提高。这样，在给定DP时，晶体管的交流输出功率Po就会增大；2)由式cccPP10可知如果维持晶体管的集电极耗散功率Pc不超过规定值，那么提高集电极效率c，将使交流输出功率Po大为增加。谐振功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。3.2谐振功率放大器的特性分析1、欠压、临界和过压三种工作状态欠压工作状态：在丙类谐振放大器电路中，当集电极的最小电压值就大于集电极的饱和电压值的时，这时电路处于欠压工作状态。临界工作状态：是欠压和过压状态的分界点，集电极最小电压值工作在放大区和饱和区之间的临界点上，晶体管工作在放大区和截止区。过压工作状态：由于谐振功率放大器的负载是谐振回路，有可能产生交大的输出电压cmU，使得minCEu很小（小于集电极的饱和电压值）致使晶体管在0wt附近因CEu很小而进入饱和区。进入饱和区后，集电极电流受基极电源电压的影响变小。2、负载特性如果VCC、VBB、imU3个参变量不变，则放大器的工作状态就由负载电阻eR决定。此时，放大器的电流、输出电压、功率、效率等随eR而变化的特性，就叫做放大器的负载特性。图3-3电压、电流随负载变化波形图当eR由小逐渐增大时，cmU也跟随由小变大，放大器由欠压状态逐步向过压状态过度，集电极电流脉冲变化是，在欠压状态下，集电极电流的基波和直流随着负载的增大虽然略有下降，但变化不大，随着负载的增大，使得放大器有欠压到过压状态变化，到过压状态，集电极电流的基波和直流分量随着负载的增加而迅速下降。在负载电阻eR由小至大变化时，负载线的斜率由小变大，如图中123。不同的负载，放大器的工作状态是不同的,所得的ic波形、输出交流电压幅值、功率、效率也是不一样的。图3-4电压、电流随负载特性变化曲线图3-5功率、效率随负载变化曲线图临界状态负载线正好相交于临界线的拐点。放大器工作在临界线状态时，输出功率大，管子损耗小，放大器的效率也就较大。欠压状态在欠压区至临界点的范围内，根据emccmRIu1，放大器的交流输出电压在欠压区内必随负载电阻eR的增大而增大，其输出功率、效率的变化也将如此过压状态放大器的负载较大，在过压区，随着负载eR的加大，mcI1要下降，因此放大器的输出功率和效率也要减小。根据上述分析负载特性曲线图来分析谐振功率放大器的负载特性欠压状态的功率和效率都比较低，集电极耗散功率也较大，输出电压随负载阻抗变化而变化，因此较少采用。但晶体管基极调幅，需采用这种工作状态。过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳且幅值较大，在弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降，发射极的中间级、集电极调幅级常采用这种状态。临界状态的特点是输出功率最大，效率也较高，比最大效率差不了许多，可以说是最佳工作状态，发射极的末级常设计成这种状态，在计算谐振功率放大器时，也常以此状态为例。掌握负载特性，对分析集电极调幅电路、基极调幅电路的工作原理，对实际调整谐振功率放大器的工作状态和指标是很有帮助的。3、CCV对放大器工作状态的影响如果Re、VBB、imU3个参变量不变，只改变集电极直流电源电压，谐振功率放大器的工作状态将会跟随变化，在欠压区内，输出电流的振幅基本上不随VCC变化而变化，故输出功率基本不变；而在过压区，输出电流的振幅将随VCC的减小而下降，故输出功率也随之下降。在过压区中输出电压随VCC改变而变化的特性为集电极调幅的实现提供依据；因为在集电极调幅电路中是依靠改变VCC来实现调幅过程的。图3-6电流随VCC变化特性曲线图3-7功率、效率随VCC变化特性曲线4、BBV对放大器工作状态的影响VCC、VBB、Re不变，VBB变化。当VBB逐渐增大时，管子的导通时间加长，基极电压增大，使集电极电流脉冲的高度和宽度增大，放大器的工作状态由欠压进入过压状态。当VBB由小到大变化时，Icm1、Ic0和响应的ucm在欠压区迅速增大，而在过压区则缓慢增大。放大器的工作状态由欠压经临界转入过压状态。基极调幅就是调制信号使VBB改变的调制方式。因此，基极调幅要工作在欠压区。图3-8BBV对放大器工作状态的影响3.3谐振功率放大器电路一、直流馈电电路1.集电极馈电电路根据直流电源连接方式的不同，集电极馈电电路又分为串联馈电和并联馈电两种。图3-9集电极直流馈电电路(1)串馈电路指直流电源VCC、负载回路(匹配网络)、功率管三者首尾相接的一种直流馈电电路。C1、LC为低通滤波电路，A点为高频地电位，既阻止电源VCC中的高频成分影响放大器的工作，又避免高频信号在LC负载回路以外不必要的损耗。(2)并馈电路指直流电源VCC、负载回路(匹配网络)、功率管三者为并联连接的一种馈电电路。如图LC为高频扼流圈，C1为高频旁路电容，C2为隔直流通高频电容。(3)串并馈直流供电路的优缺点在并馈电路中，信号回路两端均处于直流地电位，即零电位。对高频而言，回路的一端又直接接地，因此回路安装比较方便，调谐电容C上无高压，安全可靠；缺点是在并馈电路中，LC处于高频高电位上，它对地的分布电容较大，将会直接影响回路谐振频率的稳定性；串联电路的特点正好与并馈电路相反。由于集电极电流是脉冲形状,包括直流、基频及各次谐波分量,所以集电极馈电线路除了应有效地将直流电压加在晶体管的集电极与发射极之间外,还应使基频分量流过负载回路产生输出功率,同时有效地滤除高次谐波分量。2.基极馈电电路基极馈电电路也分串馈和并馈两种。基极偏置电压VBB可以单独由稳压电源供给，也可以由集电极电源VCC分压供给。在功放级输出功率大于1W时，基极偏置常采用自给偏置电路。二、滤波匹配网络1.对滤波匹配网络的要求滤波匹配网络常常是指设备中末级功放与天线或其他负载间的网络，这种匹配网络有L型、型、T型网络及由它们组成的多级网络，也有用双调谐耦合回路的。高频调谐功率放大器的阻抗匹配就是在给定的电路条件下，改变负载回路的可调元件，将负载阻抗ZL转换成放大管所要求的最佳负载阻抗Re，使管子送出的功率P0能尽可能多的馈至负载。这就叫做达到了匹配状态，或简称匹配。滤波匹配网络的主要功能与要求是匹配、滤波和高效率。2.LC网络的阻抗变换1.串-并联网络的阻抗变换图3-10串联转化为并联（3-8）PPPPPXjRjXRY111（3-9）)1()1(222222esssssssPQRRXRRXRR（3-10）)11()1(222222esssssssPQXXRXXXRX（3-11）sseRXQ||PPeXRQ（3-12）并-串联网络的阻抗变换21ePsQRR（3-13）2/11ePsQXX（3-14）1eQ时，变换前后电抗元件参数变化不大，而小RS变为大RP2.L型滤波匹配网络的阻抗变换（1）低阻变高阻型S2S2SS2S2SSSSjj1XRXXRRXRY图3-11低阻变高阻L形的滤波匹配网络)1(2'eLLQRR（3-15）)11(2'eQLL（3-16）LeRLQ（3-17）当工作频率为并联谐振频率时，)1(2'eLLPQRRR（3-18）CL'1（3-19）应用中，根据阻抗匹配要求确定eQ，即1LPeRRQ（3-20）（2）高阻变低阻型图3-12高阻变低阻L形的滤波匹配网络2'1ePLQRR（3-21）)11(2'eQCC（3-22）CRQLe（3-23）当工作频率为串联谐振频率时，)1/(2eLPQRR（3-24）'1LC（3-25）eQ根据阻抗匹配要求确定，即1PLeRRQ（3-26）3.π型和T滤波匹配网络(a)(b)图3-13π型和T型的滤波匹配网络(a)π型滤波匹配网络(b)T型滤波匹配网络型滤波网络的等效变换图3-14π型转换成L型电路恰当选择两个L型网络的Q值，就可兼顾滤波