高频电子电路2.4

2.4高频功率放大器的实用电路

要使高频谐振功率放大器正常工作，在其输入和输出端还需接有：直流馈电电路：为晶体管各级提供合适的偏置；滤波匹配网络：将交流功率信号有效地传输。2.4.1直流馈电电路根据直流电源连接方式不同可分为：串联馈电：指晶体管、负载回路和直流电源是串联的；并联馈电：指晶体管、负载回路和直流电源是并联的。1.集电极馈电电路（1）分类两种馈电方式都应满足：（2）集电极馈电电路的组成原则IcoEC①的直流分量由经过管外电路供给集电极，在流过的通道中除晶体管内阻外，应该没有其他电阻消耗能量。2.4.1直流馈电电路

1.集电极馈电电路②的基波分量应通过负载回路，产生需要的高频输出功率，因此，应只在负载回路上产生电压降，其余部分的外电路对它应是短路的。Icm1CL③的高频谐波分量不应该消耗功率，因此，管外电路对应尽可能接近于短路。Icmn（3）常用的集电极馈电电路2.4.1直流馈电电路1.集电极馈电电路LCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT高频扼流圈Lc：通直流阻交流；高频旁路电容Cc：通交流隔直流；隔直电容Cc1：通交流隔直流。串馈并馈Ico直流通路IcoECLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VTic1交流通路ic1icn交流通路icnLCCCCC1ECLCuc1VTLCCCECLCuc1VT两种馈电方式都满足：根据直流电源连接方式不同可分为：串联馈电：指晶体管、输入回路和直流电源是串联的；并联馈电：指晶体管、输入回路和直流电源是并联的。2.基极馈电电路（1）分类两种馈电方式都应满足：（2）基极馈电的两种形式CBCBCB1LBLLCCVTVTEBEB串馈并馈2.基极馈电电路（3）实用的基极馈电电路CBLBLBLBCERBReVTVTVTIBOUBBIBOIEO+UBB-实际应用中，由于基极馈电电路中采用单独电源不方便，通常采用自给偏压的方式提供基极偏置。并馈并馈串馈（1）利用基极回路直流电流产生偏压（2）利用在上产生偏压（一般很小）（3）利用射极回路直流电流产生偏压常用的自给偏压电路仿真

2.4.2滤波匹配网络

高频功放都要采用一定的耦合回路，以使输出功率能有效地传输到负载（下级输入回路或天线回路），一般说来，放大器与负载之间的耦合可采用下图所示的四端网络来表示。这个四端网络应完成的任务是：功率放大器输入匹配网络输出匹配网络RLRSuSRiRoR'LR'S（1）使负载阻抗与放大器所需要的最佳阻抗相匹配，以保证放大器传输到负载的功率最大，即它起着匹配网络的作用。（2）抑制工作频率范围以外的不需要频率，即它有良好的滤波作用。

（3）在有几个电子器件同时输出功率的情况下，保证它们都能有效地传送功率到公共负载，同时又尽可能地使这几个电子器件彼此隔离，互不影响。输入匹配网络或级间耦合网络:是用以与下级放大器的输入端相连接输出匹配网络:是用以输出功率至天线或其他负载L1C1C2L2CARAr1IAMr'r1C1L1C1R'pL1IK介于放大器与天线回路之间的L1C1回路就叫做中介并联谐振回路。RA、CA分别代表天线的幅射电阻与等效电容；

L2、C2为天线回路的调谐元件。它们的作用是使天线回路处于串联谐振状态，以使天线回路的电流IA达到最大值，亦即使天线幅射功率达到最大。从集电极向右方看去可以等效为一个并联谐振回路,其中Rp为折合到晶体管输出回路的等效负载。1.输出匹配电路（1）并联谐振回路型的匹配电路

RpRp当天线回路调谐在串联谐振状态时，它反映到L1C1中介回路的等效电阻为设初级回路的接入系数为p，则晶体管输出回路的等效负载为：r'r1C1L1C1R'pL1IKRpL1C1C2L2CARAr1IAMRp（1）并联谐振回路型的匹配电路L1C1中介回路的等效谐振阻抗为QL为有载品质因素，

改变互感系数M和接入系数p就可以在不影响回路调谐的情况下。调整晶体管的输出回路的等效负载电阻Rp，以达到阻抗匹配的目的。

（1）并联谐振回路型的匹配电路由于高频功率放大器工作在非线性（丙类）工作时，放大器的内阻变动剧烈：导通时，内阻很小；截止时内阻近于无穷大。因此输出电阻不是常数。所谓线性电路的阻抗匹配（负载阻抗与电源内阻相等）概念也就失去了意义。ηk：中介回路的传输效率。L1C1C2L2CARAr1IAMRp如果设：r'r1C1L1C1R'pL1IKRp因此有：要想回路的传输效率高，则空载Qo越大越好，有载QL越小越好，也就是说，中介回路本身的损耗越小越好但从要求回路滤波作用良好来考虑，则QL值又应该足够大。从兼顾这两方面出发，QL值一般不应小于10。在功率很大的放大器中，QL也有低到10以下的。（2）滤波器型的匹配网络在大功率输出级，T型、Π型等滤波型的匹配网络就得到了广泛的应用。图中的R2一般代表终端(负载)电阻，R1则代表由R2折合到左端的等效电阻，现以(a)为例进行计算公式的推导。两种Π型匹配网络(a)(b)L1R1C1C1R1L1C2R2R2C2将并联回路R1C1与R2C2变换为串联形式，由串、并联阻抗转换公式可得L1C1'R1'C2'R2'网络匹配时，R1'=R2'由谐振条件得:[例]有一个输出功率为2W的高频功率放大器、负载电阻RL=50Ω，EC=24V，f=50MHz，Q1=10，试求Π型匹配网络的元件值。解:（2）滤波器型的匹配网络L1R1C1R2=RLC2

R1应该是功率放大器所要求的匹配电阻Rp,即L1C1'R1'C2'R2'网络匹配时，R1'=R2'改写为：解之得：

由谐振条件得:注意，考虑到晶体管的输出电容Co后，C1应减去Co之值，才是所需外加的调谐电容值。一般，当L1确定之后，用C2主要调匹配，用C1主要调谐振。

实际还有其它各种形式的匹配网络。分析方法都很类似，即从匹配与谐振两个条件出发，再加上一个假设条件（通常都是假定Q1值），即可求出电路元件的数值。2.6.1宽带高频功率放大器以LC谐振回路为输出电路的功率放大器，由于其相对通频带B/fo只有百分之几甚至千分之几，所以又称为窄带高频功率放大器。由于调谐系统复杂，窄带功率放大器的运用就受到了很大的限制。

2.6宽带高频功率放大器与功率合成电路近年来一种新颖的，能够在很宽的波段内实现不调谐工作的宽频带功率放大器得到了迅速的推广。宽带功率放大器，实际上就是一种以非调谐单元作为输出匹配电路的功率放大器。它是以频率特性很宽的传输线变压器，代替了电阻、电容或电感线圈作为其输出电路。

宽频带功率放大器没有选频作用。因此谐波的抑制成了一个重要的问题。为此，放大管的工作状态就只能选在非线性畸变比较小的甲类或甲乙类状态，效率较低，也就是说宽频带放大器是以牺牲效率作为代价来换取宽频带输出的。1.普通变压器不能在较宽频内工作的原因2.6.1宽带高频功率放大器图(b)中L、Ls1、r1是变压器初级绕组的电感、漏感和损耗电阻；Ls2、r2是折合到初级后，次级绕组的漏感和损耗电阻；C是变压器各分布电容折合到初级后的总和；R‘L是折合到初级后的等效负载电阻。在高频端由于初级绕组电感的感抗很强，因此在高频端等效电路中可以认为电感L是开路，如图(c)。在低频端，由于频率较低，各漏感和损耗电阻很小，也可略去不计，可以认为电容C开路，如图(d)；(a)原理电路(b)等效电路(c)高频端等效电路(d)低频端等效电路(e)频率响应曲线usRsRLuoRsRsRsusususr1Ls1LLs2r2CR'LrLsLCR'LR'Lfsfuo一般变压器的等效电路可见工作频率越低，电感L的旁路作用就越大，于是输出电压将随着工作频率的降低而下将。在高频端负载R‘L接在Ls和C组成的串联谐振回路容抗元件的两端，在串联谐振频率fs的附近，负载两端的电压急剧增加，并在fs上达到最大值。但是，偏离谐振频率fs，电压将急剧减小。2.宽频带传输线变压器的工作原理

传输线变压器是将两根等长的导线紧靠在一起，并绕在高导磁率低损耗的磁芯上构成的。最高工作频率可扩展到几百兆赫甚至上千兆赫。

传输线变压器与普通变压器在传输能量的方式上是不相同的，传输线变压器负载两端的电压不是次级感应电压，而是传输线的终端电压。两根导线紧靠在一起，所以导线任意长度处的线间电容很大，且在整个线上均匀分布。其次，两根等长导线同时绕在高μ磁芯上，所以导线上均匀分布的电感量也很大，这种电路通常又叫分布参数电路。usususRLRLRLRsRsRs(a)结构示意图(c)普通变压器的原理电路(b)原理电路图u1u2u1u2u1u2在传输线变压器中，线间的分布电容不影响高频能量的传输，电磁波以电磁能交换的形式在导线间介质中传播的。（1）1:1传输线变压器3.常用传输线变压器分析

1:1传输线变压器，又叫倒相变压器。当传输线无损时，可以认为u1=u2和i1=i2。usRLRsu1u2i1i2如果传输线的特性阻抗：传输线输出端的等效阻抗为：输入端（1、3端）的等效阻抗为：为了实现传输线变压器与负载的匹配，要求：为了实现信号源与传输线变压器的匹配，要求：1:1传输线变压器，最佳匹配状态应该满足：满足最佳功率传输条件的传输线特性阻抗为：1:1传输线变压器具有最大的功率输出。但实际上，在各种放大电路中RL正好等于信号源内阻的情况是很少的。因此，1:1传输线变压器很少用作阻抗匹配元件，而更多的是用来作为倒相器，或进行不平衡-平衡以及平衡-不平衡转换。3.常用传输线变压器分析usRsusususRsRsRLRLRLRLRsu1u1u2u2i2i1i1+i2（2）1:4和4:1传输线变压器

1:4传输线变压器是把负载阻抗降为1/4倍以便和信号源相匹配。在负载匹配的条件下，有u1=u2=u和，i1=i2=i

由于