高频调谐功率放大器技术

第6章高频调谐功率放大器6.1概述：6.2高频功率放大器的工作原理6.3高频功率放大器的动态分析6.4高频功放的高频特性6.5高频功率放大器的电路组成6.6宽带功率放大器与功率合成电路6.1概述：在高频范围内，为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高频调谐功率放大器，这是发射设备的重要组成部分。对高频功率放大器的一般要求同低频功放相同：输出功率大效率高特点：(1)工作频率高，相对频带窄(2)采用选频网络作为负载回路(3)放大器一般工作在C（丙）类工作状态，属于非线性电路(4)不能用线性模型电路分析，一般采用图解法分析和折线法功率放大器按工作状态分类：A（甲）类：导通角为o180AB（甲乙）类：导通角为o90B（乙）类：导通角为o90C（丙）类：导通角为o90近年来双出现了D类、E类及S类等开关功率放大器ECICEOuCEiCO转移特性曲线输出特性曲线常量CEuBEcufi常量BEuCEcufiBBU•UBZ•Q•••QA类：o180Q位于放大区B类：o90BZBBUUC类：o90,BZBBUU。BEuci•截止区饱和区6.2高频功率放大器的工作原理1基本电路结构+ub-RpCL+uCE-icEC-UBB(b)等效电路+uc1--UBBCECL+uS-+ub-(a)原理电路除电源和偏置电路外，主要由三个部分组成：晶体管：大功率晶体管，能承受高电压，大电流，Tf一般工作时发射极反偏(C类)；输入激励电路：提供所需信号电压；输出谐振回路：（1）滤波选频，(2)阻抗匹配。+ub-RpCL+uCE-EC-UBB+uc1-ic常数DDceuBEccuig2工作原理分析uBEic•-UBB•UBZubCCic•CC(1)集电极电流ci设输入信号电压:tUubmbcosUbm则加到晶体管基极,发射级的有效电压为:tUUUuubmBBBBbBEcos由晶体管的转移特性曲线可以看出：当BZBEUu，0ci当BZBEUu，BZBEccUugi式中cg为：gC折线的斜率\有BZbmBBccUtUUgicos+uBE_(1)集电极电流ciBZbmBBccUtUUgicos由于当ct时，0cibmBZBBcUUU\cosbmBZBBcUUU1coscbmccbmbmcBZBBbmcctUgUtUgUUtUgicoscoscoscos)(cos\又Q当0t时，cbmccUgIcos1maxccbmcIUgcos1max\代入ci有：cccmaxccos1coscostIi若对ci分解为付里叶级数为：ntItItIIiccos2coscoscmncm1cm1co其中各系数分别为：ccoIItdiI0cmaxcccccmaxc)cos1cossin)(21cccccccmIIttdiIcc1cmaxcmax1)cos1cossin1()(cos21cncccccccccmnInnnnittdniIcccmax2max)cos11sincoscossin2)(cos21式中：(1)c0，c1，…，cn称为尖顶余弦脉冲的分解系数。一般可以根据c的数值查表求出各分解系数的值。(2)coI，cm1I，cm2I，…，cmnI为直流及基波和各次谐波的振幅。icωtθcθcic1ic2ic3IcoIcmax3.高频功放的功率关系（注意PR为回路谐振阻抗）(4)集电极能量转换效率c：cCOCCmCmCooDocgIEIUPPPPP112121其中：CCmEU为集电极电压利用系数；CO1Cmc1IIg)()(01cc称为波形系数，是导通角c的函数，通常可查表求出。θcαoα1α3g11.02.0α2VT1VT2T1LCRLECCC4D类和E类功率放大器简介1.D类功率放大器的原理分析D类功率放大器有电压开关型和电流开关型两种基本电路，电压开关型D类功率放大器是已推广应用的电路uiub1ub2ic1ic2uLuAub1和ub2是由ui通过变压器T1产生的两个极性相反的输入激励电压ui正半周时VT1管饱和导通，VT2管截止，电源EC对电容C充电，电容上的电压很快充至（EC-UCES1）值，A点对地的电压uA=（EC-UCES1）。ui负半周时VT2管饱和导通，VT1管截止。VT2管的直流电源由电容C上充的电荷供给，uA=UCES2≈0uA近似为矩形波电压，幅值为（EC-2UCES）。若L、C和RL串联谐振回路调谐在输入信号的角频率ω上，且回路的Q值足够高，则通过回路的电流ic1或ic2是角频率为ω的余弦波，RL上可得相对输入信号不失真的输出功率。ECUCESEC-2UCESuAωtic1ωtic2ωtuLωt尽管每管饱和导通时的电流很大，但相应的管压降很小，这样，每管的管耗就很小，放大器的效率也就很高丙类倍频器功用：输出信号的频率是输入信号频率的整数倍。在无线电发射机中常采用倍频器，其目的是降低振荡器频率，提高振荡器的频率稳定度。常用的倍频器：丙类倍频器：利用丙类放大器脉冲电流的谐波获得倍频。参量倍频器：利用结电容电压变化的非线性来获得倍频。丙类倍频器1丙类倍频器的电路结构晶体管倍频器与高频功放的线路基本相同，唯一不同之处是它的集电极回路对输入信号的某次谐波频率nf调谐。(1)丙类倍频器工作原理分析已知丙类放大器集电极电流ci为尖顶余弦脉冲，即：tncosIt2cosItcosIIiCn2C1CCOc如果集电极回路不是调谐于基波，而是调谐于n次谐波那么回路对基波和其它谐波的阻抗很小，而对n次谐波的阻抗则达到最大值，且呈电阻性。于是回路的输出电压和功率就是n次谐波，故起到了倍频作用。丙类倍频器工作于二次谐波倍频器的电流和电压关系如下图所示：其中：tUEuCCce2cos2,而PCCRIU22PR为LC回路谐振在2ω时的并联谐振电阻。iC+uce--Ec+-uc2+iciC1iC2ic频谱0234ICOIC1IC2IC3IC4LC谐振特性iC1iC1iC1iC2iC2iC26.3高频功率放大器的动态分析由于高频功放工作在大信号的非线性状态，显然晶体管的小信号等效电路的分析方法已不适用，所以分析方法一般利用晶体管的静态特性曲线，但由于晶体管的静态特性曲线与频率有关，如右图所示了与f之间的关系。而通常所说的静态特性曲线是指低频区：βo0.5fβfβ0.2fTfTf5.0f中频区：Tf2.0ff5.0高频区：TTfff2.0故直接进行高频区或中频区的分析和计算是相当困难的。本节将从低频区的静态特性来解析晶体管的高频功放的工作原理。1、放大区动态特性方程当放大器工作在谐振状态时，其外部电路电压方程为：若设：tUubmbcos由上两式消除tcos可得：cmceCbmBBBEUuEUUu又利用晶体管的内部特性关系式（折线方程）：BZBEccUugi可得：ocedbmBZBBcmCcecmbmcBZcmceCbmBBccUugUUUUEuUUgUUuEUUgi)(uBEicgCUBZ+ub-CLEC-UBB+uc1-icRp+uCE-+uBE_1高频功率放大器的动态特性uceic2动态特征曲线的画法：画法一：Uo•A在静态特征曲线的ceu轴上取B点，使oUOB，由B点作斜率为dg的直线BA，即得动态特征曲线。•BO画法二：（1）作静态工作点Q：EC•Q令ot90由外部方程可得：)(,:BZBBcQcBBBECceUUgIiUuEuQ(2)作A点:令o0tbmBBbbeCmCcceUUuuUEuuAmaxmin:连接Q、A两点即得动态特性曲线。Ucmcucmingdubemax动态特性方程Ci与ceu之间关系的动态特性方程。式中：cmbmcdUUgg表示动态特性曲线的斜率，cCmCbmBZBBcmCoUEUUUUEUcos)(式中：bmBZBBcUUUcos;oU动态特性曲线在ceu轴上的截距。2高频功率放大器的负载特性高频功放的工作状态：动态曲线：)(ocedcUugiuceicUo•PccccCocbmcdRIUUEUUUgg1111cos而可见动态特性曲线的斜率和负载PR有关，放大器的工作状态将随负载的不同而变化。下面讨论当CE、BBU、bmU不变时，动态特性曲线与负载PR的关系。gd(1)欠压工作状态当PR减小111cbmcdPccUUggRIU较大，动态特征曲线与maxbeu所对的静态特征曲线的交点位于放大区。uBEic•-UBB•UBZubCCicCCgCUbm•ubemaxicmaxuceicEC•QuceminUcescesceUumin晶体管的工作范围在放大区和截止区。ci为尖顶余弦脉冲，集电极电压利用不充分。2.过压工作状态PR较大PccRIU11较大1cbmcdUUgg较小，动态特性曲线与maxbeu所对的静态特征曲线的交点位于饱和区。gd•ubemax•••特点：cesceUumin，晶体管的动态范围延伸到饱和区。ci的波形顶部为下凹的余弦脉冲。ucemin3.临界工作状态动态特性曲线与临界饱和线以及maxbeu对应的静态特性曲线，三线相交于一点ubemaxgcr此时：cesceUumin,ci为尖顶余弦脉冲。•研究的问题：当CE，BBU，bmU不变，而PR变化时，与ccoDCCCPPPUII,,,,101的关系。（1）欠压区：icucePR由小maxci几乎不变（略减少）1C0CI,I几乎不变011CCDPccIEPRIU几乎不变1121CCoIUPCccoccEUII1121oDCPPP2高频功率放大器的负载特性PoRp欠压区过压区临界区Rp欠压区过压区临界区Ic1Ico（2）过压区：PR进入过压区余弦脉冲顶部下凹，PccCCcRIUIIi1110max,几乎不变（略有上升）01011102121CCCCcCCoCCUUIIIUPIEP变化缓慢，oDCPPP变化缓慢。cPDPcubemax注意：①临界状态输出功率最大ocroPP，效率也较高，可以说是最佳工作状态，常选此状态为末级功放输出状态。过压状态，效率高，但输出功率较小。②在欠压状态0CI，1CI几乎不变，功放相当于一个恒流源，而过压状态1CU几乎不变，相当于一个恒压源。Uc13高频功率放大器的调制特性当bm,URP不变，而改变BBCUE与oDCCPPII,,01之间的关系。1.集电极调制特性当bm,URP，BBU不变，压区减少功放由临界进入过压区增加功放由临界进入欠CCEEuceicubemax•QEC••QEC•QEC••••显然：在欠压区：10,CCII几乎不变ODPP,不变注意：只有工作在过压区才能有效地实现CE对1CI及oP的调制作用，故集电极调幅电路应工作在过压区。tic3高频功率放大器的调制特性uceicubemax•QEC••QEC•QEC••••ticEC欠压区过压区临界区EC欠压区过压区临界区Ic1IcoPDPOPC2.基极调制特性tUUubmBBBEcosQ注意：如果要实现BBU对输出电流1CI的有效调制，要求功放应工作在欠压区。进入过压状态后，随着UBB向正值方向增大，集电极脉冲电流的