第3章---射頻功率放大器.ppt

1、3.3功率放大器電路的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)3.3.1阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的基本要求。在射頻功率放大器中，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是為了實現(xiàn)功率放大器電路和負(fù)載之間的有效能量傳輸，如圖3.17所示。圖中的負(fù)載可以是天線網(wǎng)絡(luò)或后級功率放大器輸入電路的輸入阻抗。在圖3.18所示功率放大器的組成框圖中，匹配網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是將外部負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換為功率管所需的最佳交流負(fù)載。匹配網(wǎng)絡(luò)也會引入一定的損耗，傳輸效率為T=P1/Pout 100%。圖3.17阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的連接和圖3.18功率放大器組成框圖。阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的基本要求是：1)變換負(fù)載阻抗以匹配功率放大器電路的要求，以確保射頻功率放大器電路能夠輸出最大功率。2)可以濾除不必要的諧波成分，

2、以確保負(fù)載可以獲得所需頻率的射頻功率。3)網(wǎng)絡(luò)的功率傳輸效率應(yīng)盡可能高，即匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗應(yīng)小。射頻功率放大器常用的匹配網(wǎng)絡(luò)有L形、L形和T形，有時也使用電感耦合匹配網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)匹配網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，功率放大器可以分為非諧振功率放大器和諧振功率放大器。非諧振功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)采用高頻變壓器、傳輸線變壓器等非諧振系統(tǒng)，其負(fù)載阻抗呈現(xiàn)純電阻特性。諧振功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)是一個諧振系統(tǒng)，其負(fù)載阻抗是無功的。3.3.2集總參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)，L形匹配網(wǎng)絡(luò)L形匹配網(wǎng)絡(luò)的基本形式如圖3.19所示。圖中的X1通常是電容元件，而X2是電感元件。RL和RS之間的精確匹配只能在特定頻率f0下實現(xiàn)。在特定頻率f0下，l形匹配網(wǎng)絡(luò)

3、中每個元件的關(guān)系如(3.3.2)和(3.3.4)所示。這種匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，但只適用于RSRL。此外，當(dāng)給定RS和RL時，Qe值是確定的，因此不能調(diào)整。圖3.19”形匹配網(wǎng)絡(luò)的基本形式，圖320為“2”形匹配網(wǎng)絡(luò)。串聯(lián)支路x1是電感元件l，并聯(lián)支路XC1和XC2是電容元件C.在一定的頻率范圍內(nèi)，可以得到形狀匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計關(guān)系，如(3.3.5)(3.3.7)所示。當(dāng)工作頻率較高時，匹配網(wǎng)絡(luò)中必須考慮射頻功率管的輸出電容Cout。此時，Cout的容抗應(yīng)包含在XC1中，計算C1值時應(yīng)減去Cout值。圖3.20形匹配網(wǎng)絡(luò)，圖3.21形匹配網(wǎng)絡(luò)t形匹配網(wǎng)絡(luò)如圖3.21所示，三個電抗元件連接成t形結(jié)構(gòu)。t

4、形網(wǎng)絡(luò)也可以看作是兩個L形網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)，但必須注意的是，這兩個L形網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)支路和并聯(lián)支路的電抗必須不同，如圖3.22所示。將丁字匹配網(wǎng)絡(luò)分解成兩個串聯(lián)的丁字匹配網(wǎng)絡(luò)后，利用丁字匹配網(wǎng)絡(luò)的分析方法，可以推導(dǎo)出丁字匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計關(guān)系。通過分析，可以得出丁字匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計關(guān)系。圖3.21丁字匹配網(wǎng)絡(luò)和圖3.22丁字網(wǎng)絡(luò)分解。上述丁字匹配網(wǎng)絡(luò)和丁字匹配網(wǎng)絡(luò)都可以看作是L字匹配網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)組合網(wǎng)絡(luò)。這種L形網(wǎng)絡(luò)兼具阻抗變換和阻抗補(bǔ)償特性，因此被廣泛應(yīng)用于射頻功率放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)中。3.3.3輸電線路變壓器匹配網(wǎng)絡(luò)、1輸電線路變壓器結(jié)構(gòu)和等效電路輸電線路變壓器由輸電線路繞磁環(huán)纏繞而成。傳輸線可以是同軸電纜、

5、帶狀傳輸線、雙絞線或高強(qiáng)度漆包線，磁芯由高頻鐵氧體磁環(huán)或鎳鋅制成。當(dāng)頻率高時，使用鎳鋅材料。磁環(huán)的直徑只有幾毫米，磁環(huán)的直徑是幾十毫米。選定的磁環(huán)直徑與功率有關(guān)。15W功率放大器需要一個mag圖3.23圖3.23和圖3.23示出了11個反向傳輸線變壓器的等效電路。圖3.23和圖3.23在電路連接上是相同的。作為傳輸線變壓器，兩個和三個端子或一個和四個端子必須接地。從電源端子13看到的阻抗應(yīng)該等于負(fù)載阻抗R1(等于傳輸線的特征阻抗ZC)，因為輸出電壓與輸入電壓相反，所以它等效于反相變壓器。當(dāng)傳輸線變壓器工作在變壓器模式時，其主要功能是實現(xiàn)輸入輸出之間的阻抗變換、平衡和不平衡變換。要反轉(zhuǎn)輸出電壓，

6、端子2必須接地(見圖3.23b)。傳輸線變壓器將傳輸線纏繞在磁芯上，12端有很大的感抗，所以信號源不會短路；類似地，感抗存在于端子43處，并且負(fù)載不會短路。如圖3.23所示，輸入信號和負(fù)載分別施加到初級側(cè)的12端繞組和次級側(cè)的34端繞組。繞組上輸入信號的電壓為u，與傳輸線上的初始電壓相同；由電磁感應(yīng)在負(fù)載RL上產(chǎn)生的電壓也是u，它與傳輸線的端電壓相同?？梢姡瑐鬏斁€變壓器可以實現(xiàn)信號傳輸和信號逆變。必須指出，傳輸線變壓器是一種通過傳輸線傳輸能量的寬帶匹配元件。其上限頻率取決于傳輸線的長度及其終端匹配度，其下限頻率取決于初級繞組的電感。211巴倫采用傳輸線變壓器原理，可用于制作寬帶巴倫。圖3.24

7、a顯示了將平衡輸入轉(zhuǎn)換為不平衡輸出的電路；圖3.24b示出了將不平衡輸入轉(zhuǎn)換成平衡輸出的電路，其中兩個繞組上的電壓值都是u/2。以3.24b為例，討論其電壓關(guān)系。這個電路的阻抗匹配條件是里澤爾，或者寫成ZC=里澤爾。根據(jù)傳輸線原理，如果u13u被設(shè)置，那么u24u13u。負(fù)載的中點(diǎn)接地，因此uAD uDB u/2、u13u12 uAD、u12u13- uAD u/2在兩個繞組上具有相同的電壓，因此u34u12u/2。圖3.24 11巴倫、314和4 1傳輸線變壓器傳輸線變壓器也可用于阻抗變換。由于輸電線路變壓器的一次繞組和二次繞組的匝數(shù)相同，輸電線路變壓器只能實現(xiàn)某些特定的阻抗變化。它不能像普

8、通變壓器那樣通過改變一次繞組和二次繞組的匝數(shù)比來實現(xiàn)任何阻抗比變換，而只能通過改變線路的連接來實現(xiàn)某些特定的阻抗變換。常用的阻抗變換形式有14和41、19和91、116和161等。14傳輸線變壓器如圖325a所示。它將負(fù)載阻抗降低到原始阻抗的1/4，以匹配信號源。在圖中，因為變壓器的四個端子與一個端子連接，所以兩個端子43處的電壓必須等于傳輸線的輸入電壓u，并且因為傳輸線的端子24處的電壓也像輸入端子一樣是u，所以負(fù)載電阻器的兩個端子，即端子23(接地端子)處的電壓是2u，并且流過負(fù)載的電流是I，即i2urr。此外，當(dāng)電流I從端1通過傳輸線到達(dá)端2時，在傳輸線的另一個導(dǎo)體上必須有電流I，即i2

9、u/RL。當(dāng)電流I從一端1通過傳輸線到達(dá)另一端2時，在傳輸線的另一個導(dǎo)體上必須有電流I從一端4流到另一端3。因為端4與端1相連，所以該電流相當(dāng)于端1到端3的電流。結(jié)果，從信號源流入傳輸線輸入端的總電流為2i。根據(jù)以上分析，傳輸線變壓器的輸入阻抗如(3.3.14)所示。等式(3.3.14)顯示變壓器將RL轉(zhuǎn)換為RL/4，即輸入阻抗與負(fù)載阻抗之比為14，從而實現(xiàn)阻抗轉(zhuǎn)換為14。變壓器形式的14條傳輸線的等效電路如圖3.25b所示.它相當(dāng)于一個升壓自耦變壓器。當(dāng)端子43處的輸入電壓為U時，感應(yīng)電壓為如果輸入和輸出端被切換，圖3.25中所示的14個傳輸線變壓器將變成圖3.26a中所示的41個傳輸線變壓

10、器，這將使負(fù)載增加4倍以匹配信號源。由于傳輸線的兩根導(dǎo)線之間的電壓為u，兩根導(dǎo)線上的電流為I，但方向相反，41阻抗變換傳輸線變壓器的電壓和電流如圖3.26a所示。從圖中可以看出，施加在RL兩端的電壓為uo，流經(jīng)RL的電流為2i，因此存在uo=2RL或i=uo/2RL。 并且傳輸線輸入端的等效電阻為Ri=2ui，因此負(fù)載電阻被傳輸線變壓器轉(zhuǎn)換后變壓器輸入端的等效電阻如(3.3.16)所示。傳輸線的特性阻抗如(3.3.17)所示。變壓器形式的41傳輸線變壓器的等效電路如圖3.26b所示，相當(dāng)于一個降壓自耦變壓器。當(dāng)在端子14處施加2u的電壓時，在端子13和24處獲得電壓U，從而確保傳輸線的兩個導(dǎo)體

11、之間的電壓總是U，使得傳輸線能夠正常工作。從阻抗變換的角度來看，它是一個21的自耦變壓器，所以阻抗變換關(guān)系為41。此外，還有91、19、161和116個輸電線路變壓器。3.4功率合成和分配3.4.1功率合成器，如果單個射頻有源器件的最大功率輸出不能滿足設(shè)計要求，可以利用功率合成技術(shù)將兩個或多個射頻功率放大電路的輸出信號同相加，以提高射頻輸出功率。例如，每個射頻功率放大器電路的最大輸出功率為1W。如果10個相同的放大器電路并聯(lián)，通過功率合成網(wǎng)絡(luò)可以獲得10W的射頻功率輸出。當(dāng)主動設(shè)備直接并行使用時，對主動設(shè)備的一致性要求非常高。如果多個有源器件直接并聯(lián)使用，放大器電路的效率和穩(wěn)定性會降低(一個有

12、源器件的損壞可能導(dǎo)致整個放大器電路不可用)，輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計會更加困難。因此，功率合成網(wǎng)絡(luò)和功率分配網(wǎng)絡(luò)通常用于并聯(lián)有源器件以增加輸出功率。1單級功率合成放大器電路單級功率合成放大器電路的原理圖如圖327所示。輸入功率Pi平均分配給N個放大器電路，放大器電路的功率增益為Gi(i=1，2，N)。輸入信號經(jīng)多個放大器放大后，射頻功率由功率合成網(wǎng)絡(luò)相加并輸出。在功率合成網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)該特別注意功率合成的相位，它應(yīng)該是同相相加的形式。如果在功率合成期間相位不一致，將不會實現(xiàn)同相相加，這將降低輸出功率，并可能損壞有源功率器件。圖3.27單級功率合成放大器電路示意圖多級功率合成放大器電路如圖3.28所示

13、。每兩個放大器電路的輸出功率通過第一級功率合成網(wǎng)絡(luò)相加，每兩個輸出功率通過第二級功率合成網(wǎng)絡(luò)相加。圖3.28多級功率合成放大電路原理圖，3基于3dB耦合器的功率合成電路平衡放大電路中使用的3dB耦合器可以作為功率合成網(wǎng)絡(luò)，在一個端口輸出兩個端口輸入的功率，其電路原理圖如圖3.29所示。電路由兩個對稱部分組成。射頻輸入信號通過3dB耦合器分成兩路，分別送到上下放大電路放大，然后送到3dB耦合器輸出。圖3.29基于3dB耦合器的功率合成電路4基于魔t混合網(wǎng)絡(luò)的功率合成電路由傳輸線變壓器組成的混合網(wǎng)絡(luò)具有頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡單、損耗低的特點(diǎn)，因此被稱為魔t混合網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)用于實現(xiàn)功率組合或功率分配時，它具有以

14、下特征：1)如果有n個相同的功率放大器，并且每個功率放大器為匹配負(fù)載提供額定功率P1，則在n個負(fù)載上獲得的總功率為NP1。2)N個功率放大器相互隔離。也就是說，當(dāng)任何一個功率放大器損壞時，它不會影響其他放大器的工作，并且每個放大器仍將向負(fù)載提供其自己的額定功率。3)當(dāng)一個或幾個功率放大器損壞時，負(fù)載獲得的功率下降盡可能小。在最佳情況下，減小值等于受損放大器數(shù)量m和額定功率P1的乘積，即MP1。目前，基于魔T形混合網(wǎng)絡(luò)的功率合成電路已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，可以獲得幾百瓦至幾千瓦的高頻輸出功率。顯然，實現(xiàn)理想功率組合的關(guān)鍵是神奇的T型混合網(wǎng)絡(luò)。神奇的T形混合網(wǎng)絡(luò)有四個端點(diǎn)，即A、B、C (S)和D(端)

15、。當(dāng)兩個頻率相同的信號加到AB上時，輸出功率可以乘以C(或D)，這就是所謂的功率組合。功率合成分為同相功率合成(或零相合成)和反相功率合成(或相合成)。由41或14個輸電線路變壓器組成的混合網(wǎng)絡(luò)如圖3.30所示。圖3.30a為逆功率合成電路，Tr1為神奇的t形混合網(wǎng)絡(luò)，Tr2為11平衡不平衡變壓器。兩個等值、反相、同頻信號分別加到AB端，在D端合成功率，但在C端不產(chǎn)生輸出，這稱為逆功率合成。圖3.30 41魔術(shù)T形混合網(wǎng)絡(luò)功率合成電路，使用如圖3.31所示的由兩個11線變壓器組成的魔術(shù)T形網(wǎng)絡(luò)，也可以完成功率合成。圖3.31 11個輸電線路變壓器構(gòu)成了一個神奇的T形網(wǎng)絡(luò)和3.4.2功率分配器。

16、在射頻微波電路中，為了按一定比例將功率分成兩路或多路，必須使用功率分配器。功分器廣泛應(yīng)用于射頻微波大功率固態(tài)發(fā)射器的功率放大器中，通常成對使用，將功率分成若干部分，然后分別放大，再合成輸出。如圖3.32所示，分流功率分配器是一種三端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。信號輸入端的電源是P1，而另外兩個輸出端口的電源分別是P2和P3。根據(jù)能量守恒定律，P1P2P3。圖3.32功分器示意圖。在實際電路中，最常見的情況是P2(dBm)P3(dBm)。如果P2(dBm)P3(dBm)，三個端口之間的功率關(guān)系可以寫成P2 (DBM) P3 (DBM)引腳(DBM)-3db (3.4.9)，但P2不必等于。因此，功率分配器可以分

17、為兩種類型：等份型(P2P3)和比例型(P2kP3)。功分器的技術(shù)指標(biāo)包括頻率范圍、功率、主電路到支路的分配損耗、輸入輸出間的插入損耗、支路端口間的隔離、各端口的電壓駐波比等。分功率分配器根據(jù)電路元件的不同，分功率分配器可以分為電阻型和LC型。1)電阻式等分功分器電路僅采用電阻設(shè)計，根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為y形和y形，如圖3.33a和圖3.33b所示，在圖3.33中，Z0是電路的特征阻抗。在高頻電路中，電路的特征阻抗在不同的頻帶中是不同的。這里，以50為例。該電路的優(yōu)點(diǎn)是帶寬寬、布線面積小、設(shè)計簡單。缺點(diǎn)是功率衰減很大(6dB)。圖3.33-形和Y-形電阻分壓器，2)電感和電容設(shè)計的電感型和電感型集總參數(shù)分壓器電路。根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為高通型和低通型，如圖3.35a和圖3.35b所示，設(shè)計公式如下。低通LC集總