第5章 高频功率放大器

1、通信电子线路()中国民航大学电子信息与自动化学院陈敏 minszu126。co五章 高频功率放大器电子信息与自动化学院通信电子线路(II)本章内容 p5.1 概述p5.2 谐振功率放大器工作原理p5.3 晶体管谐振功率放大器的折线近似分析p5.4 谐振功率放大器的计算p5.5 谐振功率放大器的高频特性p5.6 谐振功率放大器电路p5.7 宽带高频功率放大器与功率合成技术电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.1概述p 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。由于采用谐振回路作负载，解决了大功率放大时的效率、失真、阻抗匹配等问题，

2、因而高频功率放大器通常又称为谐振功率放大器。 电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.1概述p2.功率信号放大器使用中需要解决的两个问题： u高效率输出u高功率输出 p联想对比： u谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器； u谐振功率放大器与低频功率放大器；电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.1 概述p 3.谐振功率放大器与高频小信号谐振放大器的异同u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电路u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。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.1 概述p4.高频功率放大器与低频功率放大器的异同之

3、处u相同之处：都要求输出功率大和效率高。u不同之处：n 工作频率与相对频宽不同n 放大器的负载不同n 放大器的工作状态不同p 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换为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。p 功率放大器的主要指标是输出功率和效率电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.1 概述p 5.功率放大器的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，这二类放大器是工作在开关状态谐振功率放大器通常工作在丙类，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功率放大器的主要技术指标是输出功

4、率与效率电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.1 概述p 谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号，其工作状态通常选为丙类工作状态，为了不失真放大信号，它的负载必须是谐振回路。p 非谐振功率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p 谐振功率放大器的分析方法：图解法和解析法电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.2 谐振功率放大器工作原理 p 谐振功率放大器的工作频率范围划分u 低频区： 0.5u中频区： 0.5 0.2Tu高频区： 0.2 T低频区工作时晶体管的影响因素少、分析方法

5、比较成熟，不用考虑分布参数的影响。因此本书主要从低频区分析计算高频功率放大器的工作原理。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)p 一、获得高功率条件p 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。P=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；p 根据能量守衡定理：p 故集电极效率：oococPPPPP5.2 谐振功率放大器工作原理电子信息与自动化学院通信电子线路(II)p 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

6、功率Pc，则集电极效率c自然会提高。这样，在给定P=时，晶体管的交流输出功率Po就会增大；2)由式 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。如何减小集电极耗散功率Pc呢？晶体管集电极平均耗散功率： 可见使ic在ec最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功率自然会大为减小。5.2 谐振功率放大器工作原理dteTTcc01i1coccPP电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.2.1谐振功率放大器的原理及电压电流波形p 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

7、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外部电路关系式晶体管的内部特性电子信息与自动化学院通信电子线路(II)故晶体管的转移特性曲线表达式故得：5.2.1谐振功率放大器的原理及电压电流波形w tw tciciBBV c 000b B BZVc bmVc c maxB maxcicg 2半流通角/通角cosBBBZcbmVVVcosbmcBBBZVVV必须强调指出，集电极电流必须强调指出，集电极电流icic虽然是脉冲虽然是脉冲状状 ，但由于在集电极电路内采用的是并联，但由于在集电极电路内采用的是并联谐振回路谐振回路 ，因此谐振回路的这种滤波作用，因此谐振回路的

8、这种滤波作用仍然能得到正弦波形的输出。仍然能得到正弦波形的输出。 电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.2.1谐振功率放大器的原理及电压电流波形2、谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下页的图所示电子信息与自动化学院通信电子线路(II) wt 或电压 电流 VBZ o ic max ec min ic c ec Vcm VCC ic vc eb max 2 VBZ vB Vbm vb 232 25 图图6-5 6-5 高频功率放大器中各部分电压与电流的关系高频功率放大器中各部分电压与电流的关系5.2.1谐振功率放大器的原理及电压电流波形电子信息与自动化学院通信电子线路(II)回路的

9、这种滤波作用也可从能量的观点来解释。回路是由L、C二个储能元件组成。 当晶体管由截止转入导电时，由于回路中电感L的电流不能突变，因此，输出脉冲电流的大部分流过电容C，即使C充电。充电电压的方向是下正上负。这时直流电源VCC给出的能量储存在电容C之中。过了一段时间，当电容两端的电压增大到一定程度(接近电源电压)，晶体管截止，电容通过电感放电，下一周期到来重复以上过程。 由于这种周期性的能量补充，所以振荡回路能维持振荡。当补充的能量与消耗的能量相等时，电路中就建立起动态平衡，因而维持了等幅的正弦波振荡。LCLC回路的能量转换过程回路的能量转换过程 +C+ + icL +iL图图6-6 LC6-6

10、LC回路能量转换过程回路能量转换过程电子信息与自动化学院通信电子线路(II)p谐振功率放大器特点：u1)用来放大窄带高频信号(通带宽度只有中心频率的1%)；u2)工作于丙类工作状态(c回路损耗电阻r1u衡量回路传输能力优劣的标准，通常以输出至负载的有效功率与输入到回路的总交流功率之比来代表。这比值叫做中介回路的传输效率k，简称中介回路效率。0112121122111)()()(功率电子器件送至回路的总回路送至负载的功率QQRRrrrMRrMrrrrrIrILppAkkkww电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.6 谐振功率放大器电路组成总效率PA天线功率Po集电极输出功率功率P=电源供给

11、功率k中介回路效率c集电极效率c.AA p p p p p p电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.6 谐振功率放大器电路组成例5.5.1 在图5.5.5电路中，假设初次级回路都谐振于工作频率1MHz，天线辐射电阻RA=37，空载品质因数为100，有载品质因数10，回路接入系数为0.2 。试求M、L1与C1之值为多少时，天线与3DA1相匹配。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.6 谐振功率放大器电路组成1CMnCnL2L1L1rACAR解：对于3DA1有6 .126425.50622)5 .22(222 ocmpPVRHQpRLLQpRLpLp w ww w3 .50101022

12、 . 05 .126622112 1C1Lr1rKi电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.6 谐振功率放大器电路组成因此pFLC504103 .50)102(11626121 w w11101928.4410LrQrrrrQ 16. 3100103 .5010266011110 w ww wQLrrLQHRrMRMrAA w ww w16. 51023744.28622 电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.6 谐振功率放大器电路组成p其它形式匹配网络的设计与计算用LC滤波器作匹配网络，有L型、型、T型等，各种匹配网络的阻抗变换特性，都是以串、并联阻抗转换为基础，下面作简要介绍。电

13、子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.6 谐振功率放大器电路组成u(1)串、并联阻抗转换。若需将电阻、电抗串联电路(Rs、Xs串联)与它们相并联的电路(Rp、Xp并联)之间作恒等变换，如图22所示，则可根据端导纳相等的原则进行变换，即111PPssRjXRjX电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.6 谐振功率放大器电路组成就可得到所需的串、并联阻抗转换公式，即式中 为品质因数，一般都大于1。由(2.42)和式(2.43)可见，并联形式电阻Rp大于串联形式电阻Rs；转换前后电抗性质不变，且电抗值相差很小。 22(1)1(1)PsePeeRRQXXQ(2.42) (2.43) sPesP

14、XRQRX电子信息与自动化学院通信电子线路(II) 图图 22 22 RpXp并接RsXs串接5.6 谐振功率放大器电路组成电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.6 谐振功率放大器电路组成u(2) L型匹配网络。设有一谐振功放，要求的临界状态电阻为Re，负载为天线，呈现纯阻性rA，且rARe，应如何设计匹配网络呢?首先，因为rARe，故rA应为串联型电阻，令一电抗与rA相串联，则变为并联形式时，电阻可增大，若再进一步选取合适的Qe值，使并联电阻Rp=Re，则天线电阻rA就可变换为Re。但尚存有一电抗，只要另加一相反性质电抗与之并联，使之在信号频率上谐振，即可消除其影响。根据上述原则，就有

15、如图23(a),(b)所示两种L型匹配网络。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)图图23 L23 L型匹配网络型匹配网络 CrALReCrALReCrA(Rs)L(Xs)CLReRe(Rp)(X p) Xp(a)(b)(c)(d )RerA(Rp)RerA(Rp)(e)( f )5.6 谐振功率放大器电路组成电子信息与自动化学院通信电子线路(II)11PeesARRQRr(2.45) 5.6 谐振功率放大器电路组成 进一步考察图23(a),(b)，显然图23(a)为高通网络，而图23(b)为低通网络，具有良好的滤波作用，应用更为广泛。图23(c)、(d)表示了图(b)L型网络的串、并联阻抗

16、等效变换。 L型匹配网络如何设计呢? 若给定功率管要求的Re，则由式(2.42)可得 电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.6 谐振功率放大器电路组成由式(2.44)可得()eeseAAeAeApeeeAXQ RQ rr RrRrXRQRr(2.45) (2.47) u (3)型匹配网络和T型匹配网络。型网络的形式如图24(a)所示。显然，它可以视作是两节L型匹配网络的级联，如图24(b)所示。型网络的阻抗变换特点是高低高。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.6 谐振功率放大器电路组成T型网络的形式如图24(c)所示。它同样可视作是两节L型匹配网络的级联，如图24(d)所示。与型

17、匹配网络相反，T型匹配网络的阻抗变换特点是低高低。前面的讨论认为天线为纯电阻rA，但实际上天线常为阻容性负载。这时，可以把它的电容归入匹配网络电抗中去，按前面纯阻负载情况进行分析。表22列出了常用匹配网络及相应设计公式。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)图图24 24 型匹配网络和型匹配网络和T T型匹配网络型匹配网络 (a)(b)(c)(d )5.6 谐振功率放大器电路组成电子信息与自动化学院通信电子线路(II)表表 22 5.6 谐振功率放大器电路组成电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.6 谐振功率放大器电路组成电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.6 谐振功率放大器电

18、路组成例5.5.2 有一个输出功率为2W的高频功率放大器，负载电阻R2=50，VCC=24V，=50MHz，QL=10。试求型匹配网络的元件值。解：由图5.5.8(a)得1442224222221oCCocmpPVPVRR 4 .141014411LCQRX电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.6 谐振功率放大器电路组成故得到又pFXCC2214 .141050211611 w w 57. 8114450)101(501)1(212221RRQRXLCpFXCC37157. 81050211622 w w电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.6 谐振功率放大器电路组成回路的感抗得到

19、回路的电感为 6 .2257. 8105011101441011222111CLLLLXQRQRQXnHXLL72105026 .22611 w w电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.6 谐振功率放大器电路组成p输入匹配网络与级间耦合网络为了保证给下级以稳定激励电压的目的，对于中间级应采取的措施：u1)中间放大级工作于过压状态，等效为一个理想电压源，输出电压几乎不随负载变化。u2)降低级间耦合回路效率。回路效率降低，减弱了下级回路对本级回路工作状态的影响。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.6 谐振功率放大器电路组成p级间耦合网络(输入匹配网络)u多级功放中间级的一个很大问题是

20、后级放大器的输入阻抗是变化的，是随激励电压的大小及管子本身的工作状态变化而变化的。u这个变化反映到前级回路，会使前级放大器的工作状态发生变化。此时，若前级原来工作在欠压状态，则由于负载的变化，其输出电压将不稳定。u对于中间级而言，最主要的是应该保证它的电压输出稳定，以供给下级功放稳定的激励电压，而效率则降为次要问题。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)5.6 谐振功率放大器电路组成p注意：匹配网络在高频功率放大器中占有很重要的地位。匹配网络设计和调整良好，就能保证放大器工作于最佳状态。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 现代通信的发展趋势之一是在宽波段

21、工作范围内能采用自动调谐技术，以便于迅速转换工作频率。一般来说，宽带功率放大器适用于中、小功率级。对于大功率设备来说，可以采用宽带功放作为推动级。宽带高频功率放大器无需调谐，能在很宽的范围内获得线性放大。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 最常见的宽带高频功率放大器是利用宽带变压器做耦合电路的放大器。宽带变压器的两种类型：u1)利用普通变压器的原理，只采用高频磁芯，可工作到短波波段；u2)利用传输线原理与变压器原理二者结合的所谓传输线变压器。高频磁芯变压器：与普通变压器原理相同，高频磁芯变压器：与普通变压器原理相同， 只是采用了高频磁芯。只是采用了高频磁芯

22、。传输线变压器：传输线变压器： 传输线原理与变压器原理传输线原理与变压器原理 相结合。相结合。宽带变压器宽带变压器电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 低频功率放大器的功率、效率和阻抗匹配等问题可以通过低频变压器耦合电路来实现p1.低频变压器依靠铁芯中的公共磁通将初级线圈中的能量传到次级线圈中。低频端：初级电感实际上不能为无穷大，频率相应下降。高频端：线圈漏感与分布电容的影响，会产生谐振，有峰点相应，之后由于容抗的旁路作用，相应会迅速下降。普通变压器不能应用于高频！电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 p展宽变压器工作频带

23、从而使其工作于高频的措施：(高频变压器必须具备的条件：)u1)尽量减小线圈的漏感与分布电容，磁芯用铁氧体；u2)减小磁芯的功率损耗，采用高频铁氧体；u3)为展宽低频响应，要求初级线圈电感大，采用高导磁率磁芯，加大环形磁芯截面积，并适当增加匝数。由于高频变压器仍然应用了变压器原理，因而线圈漏感与分布电容仍然是限制其工作到更高频率的主要因素。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 把传输线原理应用到变压器，就可以提高其工作频率的上限，并解决宽带的问题。这种变压器是用传输线绕在高磁导率的铁芯磁环上构成。结构简单，轻便，频带宽。cLRR 2431 (a) 1:1(a)

24、 1:1传输线变压器结构示意图传输线变压器结构示意图电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 p 传输线变压器的结构电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 u1:1传输线变压器电路图cRcLRR 2431cR传输线形式传输线形式)(bcRLR 2431变压器形式变压器形式)(c1，4两端同时接地(或2，3两端同时接地).3412.4231()11LCVVRRVV 负载传输线的特性阻抗输出电压所以变压器相当于 ： 阻抗反相变压器电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 n1)由图(c)可以看出，如果

25、是普通变压器，则负载1、2端可以对地隔离，也可以任意一端接地。n2)由图(b)可以看出，作为传输线变压器，则必须是1、4(或者2、3)两端同时接地才可以。n3)在图(b)中，由电源端1、3看去的阻抗应该等于负载阻抗RL(即等于传输线的特性阻抗Rc)，但输出电压与输入电压反相。所以它相当于一个1:1阻抗反相变压器。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 传输线变压器的工作原理是传输线与变压器原理的结合。传输线变压器的工作模式：u1)传输线工作模式即在两个线圈中通过大小相等、方向相反的电流，磁芯中的磁场正好互相抵消。因此磁芯没有功率损耗，对传输线的工作没有什么影响

26、。u2)变压器工作模式线圈中有激磁电流，并在磁芯中产生公共磁场，有铁芯损耗。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 传输线变压器具有良好频率特性的原因：这是由它的传输线工作模式所决定的。u1)普通变压器绕组间的分布电容是限制它工作带宽的主要因素；u2)传输线变压器绕组间的分布电容则成为传输线特性阻抗的一个组成部分。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 传输线变压器的工作方式：u1)在高频时，传输线模式起主要作用，此时初次级间的能量传输主要依靠线圈之间的分布电容耦合作用；u2)在低频时，变压器模式起主要作用，此时初次级间的能量

27、传输主要依靠线圈的磁耦合作用。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 p传输线变压器的工作原理u前提条件：传输线理想无损耗，终端匹配(工程上 )u传输线变压器满足：端口电压相等端口电压相等(即即V1=V2=V )流过传输线电流大小相等，方向流过传输线电流大小相等，方向相反相反(I1=I2) 2V1V1 I2 I电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 u1:4(或4:1 )阻抗传输线变压器这种传输线变压器是将绕组看成两根平行的传输线，可以起一个1:4阻抗变换的作用，使2、3两端的RL=4Rs折合到2、4两端等于RL/4，以与电源

28、内阻Rs相匹配LR2431 sRsV 电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 u1:4阻抗传输线变压器电路图传输线形式传输线形式)(b变压器形式变压器形式)(c 2431sRsV LR1 I2 I2 I2 I1 I 21IIiZsRsLRR4 2431sV 21 II1 I2 IiZ1 I2 I电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 电阻折合关系：由传输线理论知p 2、4端的输入阻抗为：lZIjlVVc sincos221 lZVjlIIc sincos221 lIVjlZljZlIVZlZVjlIlZIjlVIIVZcccc

29、ci sin)cos1(sincossin)cos1(sincos22222222211 电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 从负载RL两端看去，应有：sLcLciLccLcicLcLRRZRZZlljRlZljZlRZZlljZRIVlZIjlVVVRI 4)11(20sin)cos1(2sincoscos1sinsin)cos1(2222212时，时，当当 电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 由图5.8.3可以列出回路方程：由上述方程求得电流 为：121)( VRIIVss由图由图5.8.3(b)2、4端得到端得到

30、LssRIVRIIV 2221)(由图由图5.8.3(b)1、3端得到端得到 lZZRRjlRlRlVIccLssLs sin)cos1(2cos)cos1(22 2I电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 电路的输出功率为：功率若达到最大，则电路必须达到匹配状态，因此应满足的 条件，于是得到匹配条件为： lZZRRlRlRRlVRIPccLssLLsLo 22222222sin)cos1(2cos)cos1( 00 lLodRdP44sssLRRRR 或者或者电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 u1:4传输线变压器的特性

31、阻抗：由输出功率表达式可以看到，如果使传输功率最大，则最佳的Zc值应该是使分母中的第二项最小，即得到最佳特性阻抗为：02ccLscZZRRdZdsLsoptccRRRRZ2)( 电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 估计输出功率的减小程度插入损耗：在RL=4Rs情况下(1:4阻抗变换)，插入损耗简化为： 222221)cos1(4sin)cos1(2coslg10lg10lRRlZZRRlRlRPPKsLccLssLoso 22221)cos1(4sin22)cos31(lg10llRZZRlKsccs 电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放

32、大器及功率合成技术 在最佳状态Zc=2Rs时，插入损耗为：当 时，Zi=Rs为匹配状态，随着 的逐渐增加，Zi逐渐偏离匹配值，因而产生插入损耗。在一般情况下，传输线长度取为最短波长的八分之一或者更小。 2221)cos1(4sin4)cos31(lg10lllK0ll电子信息与自动化学院通信电子线路(II)0,4LisRlZR，为匹配状态。,20isilZRllZl 输入损耗增加。时，插入损耗为无穷大，此时传输线全反射，负载上得到的功率为零。从上述可见，传输线的长度应尽量短，使。但考虑低频相应，绕组又必须又相当长度，又足够的电感。但考虑低频相应，绕组又必须又相当长度，又足够的电感。宽带高频功率

33、放大器及功率合成技术 电子信息与自动化学院通信电子线路(II)101101800()50()1uLuncmfRcmffffmaxmin计算绕组长度的经验公式：高频端：l低频端：l为最高频率（MHz）,n为常数0.08为最低频率（MHz）， 为铁芯在 时相对导磁率。宽带高频功率放大器及功率合成技术 电子信息与自动化学院通信电子线路(II).,2 413,1,244441LLiLRVVVIIVVVRRRIII该负载上的电压为则 ，端和 ， 端的电压也为对地为2 ；信号源提供的电流为通过负载的电流为2， 22可见输入阻抗时负载地 倍，实现了 ： 地阻抗变换。p 4：1传输线变压器宽带高频功率放大器及

34、功率合成技术 电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 电子信息与自动化学院通信电子线路(II)p三、高频功率放大器u利用传输线变压器的宽带特性可构成宽带高频功率放大器。 u宽带功放工作于甲类工作状态，用传输线变压器耦合，不使用调谐选频回路，输出级采用推挽电路，以减小谐波输出。u 缺点：效率低，一般只有20%左右。高频变压器可以获得150kHz到30MHz的宽带工作范围。传输线变压器还适用于功率合成器。宽带高频功率放大器及功率合成技术 电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 p功率合成技术高频功率放大器中，所需要地输出功率超过单

35、个电子器件所能输出地功率时，可以将几个电子器件的输出功率叠加起来，以获得足够的输出功率。一个理想的功率合成电路除应能无损失地合成各功率放大器的输出功率外，还应有很好的隔离作用，即任一放大器的工作状态的变化不应引起其他放大器状态的变化，以免影响输出功率。另外，功率合成所用器件多，为使结构简单、性能可靠，放大器均不带调谐元件，而采用宽带工作方式。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 功率合成电路类型很多，这里只简略介绍工作在短波或超短波段的用传输线变压器构成的功率合成电路。功率合成器框图如图5.9.1所示。图中三角形代表晶体管功率放大器，菱形代表功率分配或合成电

36、路(无源器件)，这些功率分配和合成电路是由传输线变压器构成的3dB耦合器。图中虚线方框所示是功率合成器的基本单元。通常混合网络另一端的电阻是作为假负载来使用。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)图图5.9.1 5.9.1 功率合成器组成框图功率合成器组成框图负载基本单元信号源放大器混合电路宽带高频功率放大器及功率合成技术 电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 电子信息与自动化学院通信电子线路(II)p功率合成与分配网络需满足的条件： u晶体管放大器功率合成所用的混合网络就是传输线变压器，特别是1:4传输线变压器。网络应满足功率相加的条件 N个同类型的放大

37、器，输出电压幅度相等，则N个放大器 送到负载上的功率应为每个放大器功率的N倍，即u功率合成器中的各个单元放大器彼此应该隔离，任何一个单元故障或损坏时，不影响其它单元的工作和其它单元的功率的输 出，又称相互无关条件。上述的两个条件就是在功率分配及合成网络的参与下实现的。宽带高频功率放大器及功率合成技术 0sPNP电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 功率合成(或分配)网络原理ARDRCDCRBRAB ARDRCDCRBRAB 合成器传输线变压器形式合成器传输线变压器形式合成器的变压器形式合成器的变压器形式电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大

38、器及功率合成技术 p传输线变压器满足：u1)端口电压相等(即V1=V2=V )u2)流过传输线电流大小相等，方向相反(I1=I2) 通常规定：2222ABccccDcRRZRRZRZRZR为传输线变压器的特性阻抗电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 证明：C端与D端是相互隔离的。u1) C端激励时则A、B两端电位应该大小相等、相位相同。因而D端无输出。故从C端馈入功率，在RA、RB上获得同相等功率信号，可以作为同相功率分配网络。ARDRCDCRBRAB I I电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 u2) D端激励时则必然有

39、 即C端无输出，A、B两端则得到大小相等、相位相反的信号。从D端馈入信号功率，则在RA、RB上获得反相等功率信号，即可以作为反相功率分配网络。ARDRCDCRBRAB 1 I I2 I021III，电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 证明：A端与B端是相互隔离的。u1) A、B端反相激励时则通过RC的总电流应该等于零，因而C端无输出。因而A、B两端所输出的功率全部输送到D端。此时D端的电阻与A、B两端的电阻相匹配。ARDRCDCRBRAB I I II 电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 u2) A、B端同相激励时则通

40、过RD的总电流应该等于零，因而D端无输出。因而A、B两端所输出的功率全部输送到C端。此时C端的电阻与A、B两端的电阻相匹配。ARDRCDCRBRAB I I II 电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 u3)A端与B端是单边工作时：由于A端(或B端)是单边工作， A、B两端不对称，因此流入A点的电流与流出B点的电流不再相等。此时电图中电流的关系为：21III312III电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 A端单边激励的电路图根据变压器模式，RD可折合到1、2两点之间，其阻抗值为 并与C端电阻串联，恰好等于C端到地电阻。该

41、两串联电阻将 等分，因此变压器1、2(即1、3端)间的电压为 。ARDRCDCRBRAB I2 I1234 2 V2 V1 I1 I2 I3 I12 I V V24RRDV2V电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 因此C端到地的电压应为 ，即另一方面，从C经过2、4两端，由B到地的电压应为两式比较得，必有2V221VRICBCRIVRI312203I221III1201122221122,BAcADAcDcDPPIVVPIIVPPI VIVPARRBA BRR端得功率被平均分配给和端无输出，可见，端是隔离的。若B端单独工作，则A端无输出，B端的功率平均分配给

42、和电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 由此可见，A端功率均匀分配到C端和D端，B端无输出。亦即A、B两端互相隔离。同样可以证明，当只有B端激励时，它的平均功率也是平均分配到C端与D端，A端无输出。综上所述， A端与B端和C端与D端都是互相隔离的。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 p结论：u1)A端与B端和C端与D端互相隔离的条件是需要的传输线变压器特性阻抗RRRRRDCBA22RIVIVIVZC2221电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 u2)从A端与B端同时送入反相激励电压，则

43、D端得合成功率，C端无输出。若从A端与B端同时送入同相激励电压，则C端得合成功率，D端无输出。若只有A(或B)端有激励，则功率均分到C端与D端，对B(或A)端无影响。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 u3)若从C端送入激励功率，则这功率将均匀分到A端与B端，且相位相同，D端则无输出。若从D端送入激励功率，则这功率将均匀分到A端与B端，且相位相反，C端则无输出。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 因此：从A端与B端同时送入反相(或同相)激励功率，则D端(或C端)得合成功率，C(或D)端无输出，即起到功率合成网络的作用。若从C端(或D端)馈入激励功率，则A、B两端得到等量的同相(或反相)功率输出，亦即起到了功率分配网络的作用。所以，1：4传输线变压器，既可作功率分配网络，又可作功率合成网络，通称为混合网络。电子信息与自动化学院通信电子线路(II)宽带高频功率放大器及功率合成技术 p注意：上面讨论的混合网络，D端输出(或输入)信号必须是对地对称的。如果D端信