高頻電子技術(shù)-朱小祥課件第3章 高頻功率放大器

通過(guò)本章學(xué)習(xí)，要求掌握諧振功放的工作特點(diǎn)，功率和效率的計(jì)算，工作狀態(tài)（欠壓、臨界、過(guò)壓）的劃分以及外部參數(shù)對(duì)工作狀態(tài)的影響（負(fù)載特性，集電極調(diào)制特性，基極調(diào)制特性和放大特性）；熟識(shí)諧振功率放大器電路（直流饋電電路和濾波匹配網(wǎng)絡(luò)）形式。

知識(shí)目標(biāo)

能力目標(biāo)

能力目標(biāo)知識(shí)要點(diǎn)相關(guān)知識(shí)權(quán)重自測(cè)分?jǐn)?shù)諧振功率放大器的工作原理丙類諧振功率放大器的特點(diǎn)、性能指標(biāo)、工作原理高頻功率放大器的功能、電流電壓波形30%諧振功率放大器的特性分析丙類功率放大器的近似分析法、工作狀態(tài)及外部特性動(dòng)態(tài)負(fù)載線、過(guò)壓、欠壓及臨界狀態(tài)、負(fù)載特性、振幅特性、調(diào)制特性50%諧振功率放大器電路直流饋電電路、輸出回路集電極饋電電路、基極饋電電路、LC濾波匹配網(wǎng)絡(luò)20%圖3-1對(duì)講機(jī)、車載電臺(tái)工作示意圖

3.1概述高頻功率放大器是用來(lái)產(chǎn)生高頻功率的，常又稱為射頻功率放大器（RadioFrequencyPowerAmplifier）。因此產(chǎn)生符合要求的高頻功率是對(duì)它的基本要求。同時(shí)，還應(yīng)要求它具有盡可能高的效率。

3.1.1高頻功率放大器的功能高頻功率放大器的功能是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)和輸入信號(hào)的頻譜相同。

3.1.2高頻功率放大器的分類3.1.3丙類諧振功率放大器的特點(diǎn)1．丙類諧振功率放大器特點(diǎn)1）采用具有選頻作用的諧振網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載；2）工作在丙類狀態(tài)下；3）工作頻率與相對(duì)頻帶相差很大；4）輸出功率大，效率高。

2．丙類諧振功率放大器與低頻功率放大器的異同之處相同之處：兩者都是用來(lái)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行功率放大。不同之處：主要體現(xiàn)在工作頻率和相對(duì)頻帶、負(fù)載性質(zhì)以及工作狀態(tài)這三個(gè)方面。1）工作頻率和相對(duì)頻帶不同2）負(fù)載性質(zhì)不同3）工作狀態(tài)不同3．丙類諧振功率放大器與小信號(hào)諧振放大器的異同之處相同之處：兩者都是用來(lái)放大高頻信號(hào)，且負(fù)載均為諧振網(wǎng)絡(luò)。不同之處：主要體現(xiàn)在激勵(lì)信號(hào)的幅度、諧振網(wǎng)絡(luò)的作用以及工作狀態(tài)這三個(gè)方面。1）激勵(lì)信號(hào)的幅度不同2）諧振網(wǎng)絡(luò)的作用不同3）工作狀態(tài)不同3.1.4丙類諧振功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)輸出功率：

為直流電源提供的功率，

為功率管集電極的耗散功率。

效率：功率增益：為基極輸入功率

3.2丙類諧振功率放大器的工作原理和性能分析3.2.1基本工作原理圖3-2丙類諧振功率放大器原理電路圖

1.電流、電壓波形當(dāng)基極輸入一高頻余弦激勵(lì)信號(hào)后，三極管基極和發(fā)射極之間的電壓為

丙類諧振功率放大器的導(dǎo)電角θ的表達(dá)式為

利用傅式級(jí)數(shù)展開，這樣的周期性脈沖可以分解為直流、基波（信號(hào)頻率分量）和各次諧波分量，即

OOOOOO+-(a)(b)(c)(d)(e)圖3-3諧振功率放大器中電流、電壓波形

回路兩端只有基波電壓

三極管集電極和發(fā)射極之間的瞬時(shí)電壓為

2.能量關(guān)系直流功率

輸出功率

集電極損耗功率

集電極效率

波形系數(shù)

集電極電壓利用系數(shù)

因此集電極效率又可以表示為

3.電流脈沖的分析集電極電流為余弦脈沖，其大小和形狀完全由最大值和通角決定。其各電流分量可以用解析法求出，它們也是和通角的函數(shù)，故可以表示為、、分別為余弦脈沖的直流、基波和n次諧波的電流分解系數(shù)

圖3-4余弦脈沖分解系數(shù)與關(guān)系曲線甲類工作狀態(tài)：

乙類工作狀態(tài)：

丙類工作狀態(tài)：

3.2.2性能分析1．丙類功率放大器的近似分析法——?jiǎng)討B(tài)負(fù)載線已知基極電壓為集電極負(fù)載為調(diào)諧回路，且處于調(diào)諧時(shí)，集電極電壓為(a)確定和的值(b)諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)負(fù)載線

圖3-5諧振功率放大器的近似分析方法

2．丙類功率放大器的工作狀態(tài)圖3-6過(guò)壓狀態(tài)的動(dòng)態(tài)特性及波形圖3-7改變對(duì)脈沖波形的影響

1）欠壓狀態(tài)小，也較小的情況。在高頻的一個(gè)周期內(nèi)各動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)都處在晶體管特性曲線的放大區(qū)，此時(shí)集電極電流波形為尖頂脈沖，且脈沖幅度較高。

2）臨界狀態(tài)較大，也較大的情況。在高頻的一個(gè)周期內(nèi)動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)恰好到達(dá)晶體管特性曲線的臨界飽和線，此時(shí)集電極電流波形為尖頂脈沖，但脈沖幅度比欠壓時(shí)略低。

3）過(guò)壓狀態(tài)很大，也很大的情況。動(dòng)態(tài)線的上端進(jìn)入了晶體管特性曲線的飽和區(qū)，此時(shí)集電極電流波形為凹頂狀，且脈沖幅度較低。3.丙類功率放大器的外部特性負(fù)載特性圖3-8諧振功率放大器的負(fù)載特性工作在臨界狀態(tài)是的諧振功放可以以較高的效率輸出最大功率，所以臨界狀態(tài)為諧振功放的最佳工作狀態(tài)，與之相對(duì)應(yīng)的負(fù)載稱之為諧振功放的最佳負(fù)載。

2)振幅特性圖3-9諧振功率放大器的振幅特性

在欠壓區(qū)，放大器集電極電流和電壓隨的變化而變化，因此若要放大振幅變化信號(hào)，為了保持輸出振幅與輸入振幅的線性關(guān)系，高頻功率放大器應(yīng)工作在欠壓區(qū)。而在過(guò)壓區(qū)，電流和電壓受的影響不大，此時(shí)電路具有振幅限幅作用，可作為振幅限幅器。

3)調(diào)制特性圖3-10諧振功率放大器的基極調(diào)制特性⑴基極調(diào)制特性在欠壓區(qū)輸出電流和電壓隨的增大而增大且呈現(xiàn)近似的線性關(guān)系而在過(guò)壓區(qū)，輸出電壓和電路幾乎不隨的變化而變化。因此，如果需要利用對(duì)實(shí)現(xiàn)一定的控制作用，即進(jìn)行有效的基極調(diào)幅，則丙類放大器應(yīng)工作在欠壓狀態(tài)。

⑵集電極調(diào)制特性

圖3-11諧振功率放大器的集電極調(diào)制特性

在過(guò)壓區(qū)電流和電壓、和隨的變化而變化，且具有一定的線性增加的關(guān)系。而在欠壓區(qū)，電壓和電流幾乎不隨的變化而變化。因此，如果需要利用對(duì)實(shí)現(xiàn)一定的控制作用，即實(shí)現(xiàn)集電極調(diào)幅，則丙類放大器應(yīng)工作在過(guò)壓狀態(tài)。

3.3丙類諧振功率放大器的實(shí)際線路3.3.1直流饋電電路1.集電極饋電電路

圖3-13為兩種集電極饋電電路，（a）為串聯(lián)饋電方式，（b）為并聯(lián)饋電方式，其組成均滿足以上幾條原則。

圖3-13集電極饋電電路

串聯(lián)饋電一般適用于高頻電路，而并聯(lián)饋電一般適用于低頻電路。

2．基極饋電電路（a）串饋(b)并饋圖3-14基極饋電電路3.3.2輸出回路1.L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)（a）L型匹配網(wǎng)絡(luò)（b）等效網(wǎng)絡(luò)圖3-17低阻變高阻L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)分為低阻抗變高阻抗的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)（即將壓電路）和高阻抗變電阻抗的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)（即升壓電路）兩種。設(shè)為外接電阻，為諧振阻抗。

當(dāng)時(shí)使用降壓電路，如圖3-17（a）所示。

當(dāng)時(shí)使用升壓壓電路，如圖3-18（a）所示。

（a）L型匹配網(wǎng)絡(luò)（b）等效網(wǎng)絡(luò)圖3-18高阻變低阻L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)

2．型和T型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)（a）型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)（b）等效成串聯(lián)的L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)圖3-19型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)

（a）T型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)（b）等效成串聯(lián)的L型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)圖3-20T型濾波匹配網(wǎng)絡(luò)

3.諧振功率放大器電路應(yīng)用舉例

圖3-2150MHz諧振功率放大器電路圖3-22場(chǎng)效應(yīng)管諧振功率放大器電路3.4丙類倍頻器輸出信號(hào)的頻率是輸入信號(hào)頻率的整數(shù)倍的電路叫倍頻器。在無(wú)線電波發(fā)射機(jī)的中間級(jí)有時(shí)會(huì)用到倍頻器。在發(fā)射機(jī)中采用倍頻器，通常是為了達(dá)到以下目的：第一，采用倍頻后在輸出同樣頻率的條件下，可以降低振蕩器的工作頻率，提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度。第二，對(duì)于某些調(diào)頻或調(diào)相發(fā)射機(jī)，倍頻器可以加大信號(hào)的頻移或相移。倍頻作用只有利用有源器件的非線性才能實(shí)現(xiàn)，按其工作原理可以分為兩大類：一類是工作于丙類的諧振功率放大器，稱為丙類倍頻器；另一類是利用PN結(jié)電容的非線性變化來(lái)實(shí)現(xiàn)倍頻作用，稱為參量倍頻器。當(dāng)工作頻率為幾十兆赫時(shí)，主要采用丙類倍頻器，當(dāng)工作頻率高于100兆赫時(shí)，主要采用參量倍頻器。

n次倍頻器的輸出功率和效率分別為

圖3-23帶有陷波電路的三倍頻器

3.5寬帶高頻功率放大器3.5.1傳輸線變壓器傳輸線變壓器主要是指用來(lái)傳輸高頻信號(hào)的雙導(dǎo)線、同軸線。傳輸線變壓器就是用上述傳輸線繞制在磁環(huán)上而構(gòu)成的。圖3-24所示為1:1傳輸線變壓器的結(jié)構(gòu)示意圖，它是由兩根互相絕緣等長(zhǎng)的導(dǎo)線緊靠在一起并繞在磁環(huán)上構(gòu)成的。傳輸線的特點(diǎn)就是利用兩導(dǎo)線間（或同軸線內(nèi)外導(dǎo)體間）的分布電容和分布電感形成一電磁波的傳輸系統(tǒng)。它傳輸信號(hào)的頻率范圍很寬，可以從直流到幾百、上千兆赫。1234圖3-24傳輸線變壓器的典型結(jié)構(gòu)

1．基本原理由圖3-24可以看出，傳輸線變壓器既可以看作是繞在磁環(huán)上的傳輸線，也可以看作時(shí)雙線并繞的1:1變壓器。因此它兼有傳輸線和高頻變壓器兩者的特點(diǎn)。傳輸線變壓器有兩種工作模式。一種是傳輸線工作模式，一種是變壓器模式。不同模式?jīng)Q定于信號(hào)對(duì)它的不同激勵(lì)，如圖3-25所示。

（a）等效為傳輸線的原理圖（b）等效為變壓器的原理圖圖3-251:1傳輸線變壓器的工作原理2.傳輸線變壓器的應(yīng)用舉例

1)不平衡和平衡電路的轉(zhuǎn)換（a）不平衡-平衡轉(zhuǎn)換器（b）平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器圖3-26不平衡和平衡電路的轉(zhuǎn)換2）1:4和4:1阻抗變換器圖3