高频电子线路课件第3章.ppt

3 1通信信号的功率放大3 2谐振功率放大器3 3宽频带的功率合成 非谐振高频功率放大器 3 4倍频器3 5天线3 6实训 高频谐振功率放大器的仿真与性能分析 第3章通信信号的发送 3 1通信信号的功率放大 高频功率放大器有三个主要任务 输出足够的功率 具有高效率的功率转换 减小非线性失真 3 2谐振功率放大器 3 2 1谐振功率放大器的基本工作原理1 工作原理谐振功率放大器的原理电路如图3 1所示 图3 1谐振功率放大器的原理电路 图3 1中 输出回路中用 谐振电路作选频网络 这时 谐振功率放大器的输出电压接近余弦波电压 如图3 2 e 所示 180 为甲类工作状态 90 为乙类工作状态 90 为丙类工作状态图3 2所示工作波形表示了功率放大器工作在丙类状态 在丙类工作状态下 uBE UBB Ubmcos t较小 且uBE Uon时才有集电极电流流过 故集电极耗散功率小 效率高 为了保证工作在C类 基极偏置电压要求零偏置或负偏置 的决定 由于晶体管工作在丙类状态 晶体管的集电极电流iC是一个周期性的余弦脉冲 用傅氏级数展开iC 则得iC Ic0 Ic1mcos t Ic2mcos2 t Icnmcosn t 3 1 傅里叶级数展开式 图3 2谐振功率放大器各级电压和电流波形 2 电路的性能分析准线性折线分析法的条件如下 1 忽略晶体管的高频效应 2 输入和输出回路具有理想滤波特性 uBE UBB Ubmcos t 3 2 uCE UCC Ucmcos t 3 3 3 晶体管的静态伏安特性可近似用折线表示 图3 3晶体管折线化后的转移特性曲线及ic电流 1 余弦脉冲分解图3 3所示是用晶体管折线化后的转移特性曲线绘出的丙类工作状态下的集电极电流脉冲波形 折线的斜率用G表示 设输入信号为ub Ubmcos t 发射结电压为uBE UBB Ubmcos t 晶体管折线化后的转移特性为 3 4 将uBE UBB Ubmcos t代入上式 可得iC G UBB Ubmcos t Uon 3 5 由图3 3可得 当 t 时 iC 0 代入式 3 5 可求得0 G UBB Ubmcos Uon 3 6 3 7 3 8 式 3 5 减式 3 6 得iC GUbm cos t cos 3 9 当 t 0时 将iC iCmax代入式 3 9 可得iCmax GUbm 1 cos 3 10 式 3 9 与式 3 10 相比 可得 3 11 式 3 11 是集电极余弦脉冲电流的解析表达式 它取决于脉冲高度iCmax和导通角 利用傅里叶级数将iC展开 3 12 求得上式中各次谐波分量 3 13 3 14 3 15 图3 4余弦脉冲分解系数 谐波次数越高 振幅就越小 因此只研究直流功率及基波功率 放大器的输出功率Po等于集电极电流基波分量在有载谐振电阻RP上的功率 即 3 16 集电极直流电源供给功率PDC等于集电极电流直流分量与UCC的乘积 3 17 放大器集电极效率等于输出功率与直流电源供给功率之比 即 3 18 由式 3 18 可求得不同工作状态下放大器效率分别为 甲类工作状态 180 g1 1 c 50 乙类工作状态 90 g1 1 57 c 78 5 丙类工作状态 60 g1 1 8 c 90 2 导通角的选择 1 等幅波功率放大 2 调幅波功率放大 Ic1 iCmax 1 GUbm 1 cos 1 3 次谐波倍频 3 2 2谐振功率放大器的工作状态分析 一般放在动态线上分析 1 谐振功率放大器的动态线当放大器工作在谐振状态时 由图3 5可得 电路的外部关系uBE UBB Ubmcos tuCE UCC Ucmcos t由上两式可得 3 19 将式 3 19 代入式 3 4 得动态线方程式 3 20 3 4 令uCE UCC时 iC Gc UBB Uon 为图3 6中的Q点 再令iC 0时 为图3 6中的B点 图3 5谐振功率放大器 图3 6谐振动率放大器的动态线和集电极iC电流波形 谐振功率放大器的动态负载电阻Rc可用动态线斜率的倒数求得 3 21 2 谐振功率放大器的三种工作状态1 欠压状态 放大区 2 临界状态3 过压状态 饱和区 图3 7三种工作状态 3 RP UCC Ubm UBB变化对工作状态的影响1 RP变化对工作状态的影响 RP越大CE间的电压越小 晶体管进入饱和区 图3 8RP变化时的iC波形 图3 9谐振功率放大器的负载特性 由图3 9可以得到以下结论 1 在欠压工作状态下 动态工作点都在特性曲线的放大区 2 在临界工作状态下 3 在过压工作状态下 3 22 2 UCC变化对工作状态的影响3 Ubm变化对工作状态的影响4 UBB变化对工作状态的影响 图3 11Ucc变化对工作状态的影响 图3 12Ubm变化对工作状态的影响 3 2 3谐振功率放大器电路谐振功率放大器的管外电路由两部分组成 直流馈电电路部分和滤波匹配网络部分 1 直流馈电电路 1 集电极馈电电路 图3 13集电极馈电电路 串馈电路 并馈电路 图3 14基极馈电电路 2 基极馈电形式 图3 15自给偏置电路 2 滤波匹配网络功率放大器通过耦合电路与前后级连接 这种耦合电路叫匹配网络 如图3 16所示 对它提出如下要求 1 匹配 使外接负载阻抗与放大器所需的最佳负载电阻相匹配 以保证放大器输出功率最大 2 滤波 滤除不需要的各次谐波分量 选出所需的基波成分 3 效率 要求匹配网络本身的损耗尽可能小 即匹配网络的传输效率要高 图3 16滤波匹配网络在电路中的位置 匹配网络形式有 并联谐振回路型和滤波型 根据等效原理 由于图3 17 a b 的端导纳相等 即 由上式可以得到从串联转换为并联阻抗的公式 即 3 23 式中 QT为两个网络的品质因数 其值为 3 24 图3 17串并联阻抗变换 1 型匹配网络图3 18 是 型匹配网络 其串臂为感抗Xs 并臂为容抗XP RL是负载电阻 Xs和RL是串联支路 根据串并联阻抗变换原理 可以将Xs和RL变为并联元件X P和RP 如图3 18 b 所示 图3 18L型网络的阻抗变换 图3 18L型网络的阻抗变换 令XP X P 0 即电抗部分抵消 回路两端呈现 3 25 由式 3 25 求出QT 再代入式 3 23 便可求出 型网络各元件参数的计算公式 图3 18中的RL相当于式 3 23 中的Rs 型匹配网络图3 19 是 型匹配网络 其中两个串臂为同性电抗元件 并臂为异性电抗元件 为了求出 型匹配网络的元件参数 可以将它分成两个 型网络 如图3 19 b 所示 然后利用 型网络的计算公式 经整理便可最终得到计算公式 RP RL 1 Q2T2 3 27 3 28 图3 19T型网络的阻抗变换 图 b 中的第一个 型网络与图3 18 a 的网络是相反的 因此 可以将 o视为 L 即 3 30 3 29 型匹配网络 型匹配网络如图3 20所示 分析过程也是将 型网络分成两个基本的 型网络 如图3 20 b 所示 然后按 型网络进行求解 图3 20 型网络的阻抗变换 式中 3 31 3 32 s是并联转换成串联的等效电阻 由式 3 23 求得 3 谐振功率放大器的调谐与调配谐振功率放大器在设计组装之后 还需要进行调整 以达到预期的输出功率和效率 谐振功率放大器的调整包括调谐与调配 下面分别进行讨论 1 调谐2 调配3 调谐与调配的方法 图3 21谐振功率放大器在不同负载状态下的电压电流波形 图3 22调谐放大器调整电路 图3 23谐振功率放大器的调谐与调配特性 负载回路的串联谐振点 集电极并联谐振 4 谐振功率放大电路 1 图3 24所示是一个工作频率为160MHz的谐振功率放大电路 图3 24工作频率为160MHz的谐振功率放大电路 2 图3 25所示是一个工作频率为150MHz的谐振功率放大电路 其50 外接负载提供 功率 功率增益达10dB 图3 25工作频率为150MHz的谐振功率放大电路 3 3宽频带的功率合成 非谐振高频功率放大器 3 3 1传输线变压器1 传输线变压器的工作原理1 传输线变压器的结构2 传输线变压器传输能量的特点 图3 261 1传输线变压器 图3 27传输线在高频情况下的等效电路 从上述传输线变压器的工作原理 可以归纳出其基本特点是 1 工作频带宽 频率覆盖系数可达104 2 通带的低频范围得到扩展 这是依靠高磁导率的磁芯获得很大的初级电感的结果 3 通带的上限频率不受磁芯上限频率的限制 因为对于高频它是以传输线的原理传输能量 4 大功率运用时 可以采用较小的磁环也不致使磁芯饱和和发热 因而减小了放大器的体积 3 传输线变压器的主要参数由传输线的理论可知 传输线的特性阻抗 c为 3 33 对于理想无耗或工作频率很高时的传输线 有 则传输线的特性阻抗为 3 34 最佳特性阻抗 其值为 3 35 产生插入损耗的主要原因是传输线终端电压和电流对于始端产生相移的结果 我们知道 电磁波自始端传到终端 是需要一定时间的 终端电压 电流总要滞后于始端相应电压 电流 个相位 这个相位与传输信号波长 及传输线距离l的关系为 3 36 式中 称为相移常数 图3 28传输线变压器的插入损耗 2 传输线变压器的应用1 极性变换传输线变压器作极性变换电路 就是1 1倒相传输线变压器 图3 291 1倒相传输线变压器 2 平衡和不平衡的互相变换如图3 30是传输线变压器用作平衡与不平衡电路的互相变换 图3 30平衡与不平衡的互相变换 图3 30平衡与不平衡的互相变换 3 阻抗变换传输线变压器的第三个用途 是在输入端和输出端之间实现阻抗变换 由于传输线变压器的结构的限制 它不能像普通变压器那样 借助匝数比的改变来实现任何阻抗比的变换 而只能完成某些特定阻抗比的变换 如 1 9 1 1 1 或者1 1 9 1 16 等等 图3 314 1和1 4传输线变压器电路 对于 1的阻抗变换电路而言 如果设负载电阻 L上的电压为U 则传输线终端和始端的电压均为U 因此 信号源端的电压为 U 当信号源提供的电流为 时 则通过 L的电流为 I 于是负载电阻 L为 3 37 从信号源向传输线变压器看去的输入电阻为 3 38 传输线的特性阻抗为 3 39 图3 31 b 和 分别表示1 传输线变压器的传输线形式和变压器形式 设流过负载电阻 L的电流为 信号源提供的电流为 由图 可见 负载电阻 上的电压为 U 即UL U 负载电阻为 从信号源向传输线变压器看去的输入电阻为 3 40 3 41 从而实现1 的阻抗变换 传输线变压器的特性阻抗为 3 42 根据相同的原理 可以利用多组1 1传输线变压器组成9 1 1 1或1 9 9 1 等电路 并求出输入电阻 特性阻抗与负载电阻 L的关系 可以证明 若1 1传输线变压器组数为 则由它组成的阻抗变换电路的特性阻抗和输入电阻分别为Zc n 1 RL 3 43 Ri n 1 2RL 3 44 对于变比小于1的阻抗变换电路 特性阻抗和输入电阻的一般公式为 3 45 3 46 图3 32宽带高频功率放大电路 3 3 2功率合成电路1 传输线变压器在功率合成中的应用1 反相功率合成电路利用传输线变压器组成的反相功率合成原理电路如图3 33所示 图3 33反相功率合成原理电路 由图3 33可知 通过 1两绕组的电流为 因有 端I Ia IdB端I I Ib所以Ia Id Id Ib可得Id 12 Ia Ib 3 47 及I 12 Ia Ib 3 48 相应写出 端电流Ic 由图3 33可知Ic 2I根据式 3 48 还有Ic Ia Ib 如果满足Ia Ib时 就会有Ic 则在 端无输出功率 这时还会有 参照式 3 47 Id Ia Ib若在电阻 d上的电压为 d 显然为Ud Id d传输线变压器 2为1 1平衡 不平衡变换器 因此在DD 之间电压亦为 d 由电压环路ADD B可得 则两个功率放大器注入的功率为 每 个功率放大器的等效负载 L为 如果取 d Rc 则当某一功率放大器 例如B 出现故障或者Ia Ib时 A端电压为 因此功率放大器 的等效负载仍等于 2 同相功率合成电路如图3 33所示 若两个功率放大器 和B输出同相等值功率 提供等值同相电流Ia和Ib 则可称为同相功率合成电路 采用和上面类似方法可以证明 此时两功率放大器的注入功率在 端 c上合成 而在 端电阻 d上无输出功率 后者所接电阻称为假负载或平衡电阻 2 传输线变压器在功率分配中的应用下面举例说明分配器在共用天线系统中的应用 图3 34是电视接收机的共用天线系统 简称CATV系统 最简单的共用天线系统 包括接收天线 混合器 放大器 分支器和分配器等 图3 34分配器在共用天线系统中的应用 图3 35功率二分配器和功率四分配器 图3 35功率二分配器和功率四分配器 3 4倍频器 倍频器是能将输入信号频率成整数倍增加的电路 如图3 36 a 所示 倍频器用在通信电路中 采用倍频器的主要优点是 可降低主振器的频率 这样可稳定频率 扩展发射机的波段 如果倍频器用在中间级 借助波段开关既可实现倍频又可完成放大 图3 36倍频器框图及其应用 3 4 1丙类倍频器在这里需要指出的是 1 集电极电流脉冲中包含的谐波分量幅度总是随着 的增大而迅速减小 因此 倍频次数过高 倍频器的输出功率和效率就会过低 2 倍频器的输出谐振回路需要滤除高于 和低于 的各次分量 图3 37带有陷波电路的三倍频器 3 4 2参量倍频器1 变容二极管的特性及原理变容管结电容 j与反向偏置电压绝对值之间的关系为 图3 38变容二极管的特性及符号 图3 39变容二极管的等效电路 变容管的品质因数定义为 3 49 一般变容管的品质因数定义在零偏压条件下 变容管的截止频率fc0定义在 值为1时的频率 3 50 流过变容管结电容 j的电流与电容量 电压的关系为 图3 40变容管在正弦电压作用下的电流波形 2 变容管倍频器变容管倍频器可分为并联型和串联型两种基本形式 如图3 41所示 图 a 的工作原理是 由信号源产生频率为 I的正弦电流iI 通过FI和变容管 图 b 的工作原理是 信号源产生的基波激励电流iI通过变容管 在 j上产生各次谐波的电压 其中 次谐波电压产生的 次谐波电流in通过负载 L 因此 倍频器输出端有 次谐波信号输出 串联倍频器适用于 以上的高次倍频 图3 41变容管倍频器原理图 3 5天线 3 5 1对称天线 单极天线1 对称天线对称天线是应用非常广泛的一种天线 它在通信 雷达等无线电设备中既可作单元天线使用 又可作面式天线的馈源或阵列天线的单元 对称天线结构如图3 42所示 它是由两段等长度和等粗细的直导线构成的 天线每臂的长度为l 天线导线的半径用 表示 由于对称天线有两个臂 因而对称天线也可称为偶极天线 图3 42偶极天线示意图 a 垂直偶极天线 b 方位辐射图 c 垂直面辐射图 2 单极天线当对称天线的一个臂变为平面时 就形成单极天线 在天线工程中最常见的单极天线形式如图3 43所示 图3 44抛物面天线光学的性能 3 5 2抛物面天线 微带天线1 抛物面天线抛物面天线具有类似光学系统的性能 如图3 44所示 2 微带天线微带天线具有很多其它天线没有的特点 图3 45微带天线的基本结构 3 6实训 高频谐振功率放大器的仿真与性能分析 范例 观察输出波形及功率放大器的三种工作状态步骤一绘出电路图 1 请建立一个项目Ch3 然后绘出如图3 46所示的电路图 信号源用正弦交流电压源代替 图3 46高频谐振功率放大器 2 对信号源U1进行设置 AC 交流值 现设为350mV UOFF 直流基准电压 设定为0V UAMPL 峰值电压 设定为200 350mV可调 FREO 信号频率 设定为1 6MHz TD 出现第一个波形的延迟时间 设定为0ms DF 阻尼系数 设定为0 单位为秒的倒数 PHAS 相位 设定为0 3 对变压器T1进行设置 COUPLING 互感 设定为0 99 L1 VALVE 0 01m L2 VALVE 0 5m为两线圈的电感量 4 将图3 46中的其它元件编号和参数按图中设置 注意 图中A B C是各点的编号 步骤二设置TransientAnalysis 瞬态分析 1 在PSpice电路分析功能 分析设置 项中 选TransientAnalysis 瞬态分析 2 在TransientAnalysis 瞬态分析 中 设置绘图的时间增量 设定为200ns 设置瞬态分析终止时间 设定为8 s 设置瞬态分析起始时间 设定为2 s 步骤三设置ACSweep 交流分析 1 在PSpice电路分析功能 分析设置 项中 选ACSweep 交流分析 2 在ACSweep 交流分析 中 选用Octave 倍频程 扫描或Decade 十倍频程 扫描类型 3 设StartFrequency 仿真起始频率 为100kHz 设EndFrequency