高频电子电路4.5.ppt

1、高频电子线路,任课：谢胜 TelQQ:914486798,4.3 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：,直流馈电线路：为晶体管各级提供合适的偏置； 交流匹配网络：将交流功率信号有效地传输。,高频功率放大器的电路组成,高频功率放大器的电路组成,休息2,休息1,ICO直流通路,IC1交流通路,ICn交流通路,2 基极馈电线路,UBB,+ UBB -,休息2,休息1,二 高频功放的耦合回路,休息2,休息1,(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

2、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,二 高频功放的耦合回路,休息2,休息1,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

3、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,继续,休息2,休息1,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：,继续,(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。 （分析略）,休息2,休息1,在大功率输出级，T型、型等滤波型的匹配网络就得到了广泛的应用。,图中的

4、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,继续,(2) 滤波器型的匹配网络,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,网络匹配时，R1= R2,由谐振条件得 :,仿真,解之得：,改写为：,网络匹配时，R1= R2,例 有一个输出功率为2W的高频功率放大器、负载电阻RL=50，EC=24V，f=50MHz，Q1=10，试求型匹配网络的元件值。,解 :,继续,(2) 滤波器型的匹配网络,R1应该是功率放大器所要求的匹配电阻 Rp ,即,休息2,休息1,注意，考虑到晶体管的输出电容Co后，C1应减去Co之值，

5、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。,由谐振条件得 :,4.5.1 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 。,继续,4.5宽带高频功率放大电路,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。,休息2,休息1

6、,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,继续,4.5.1 宽带高频功率放大器,休息2,休息1,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

7、折合到初级后的总和；RL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)；,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RL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,继续,2. 宽频带传输线变压器的工作原理,休息2,休息1,传输线变压器是将两根等长的导线紧靠在一起，

8、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。,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,继续,3. 常用传输线变压器分析,休息2,休息1,1：1传输线变压器，又叫倒相变压器。当传

9、输线无损时，可以认为u1=u2和i1=i2。,u1,u2,1：1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。,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：,1：1传输线变压器，最佳匹配状态应该满足 ：,为了实现信号源与传输线变压器的匹配，要求：,满足最佳功率传输条件的传输线特性阻抗为：,(2) 1：4和4：1传输线变压器,继续,3. 常用传输线变压器

10、分析,休息2,休息1,1：4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,由于变压器的1端与4端相连，输入端1端与3端的电压为u，负载RL上的电压为u1+u2=2u，输入端1的电流为i1+i2=2i，且,u1,u1,u2,u2,2u,+ 2u -,传输线变压器把负载RL变换为RL/4，实现了1：4的阻抗变换。,如果把输入端和输出端对调就成为4：1传输线变压器。4：1传输线变压器把负载阻抗升高4倍和信号源匹配，由电压电流关系不难证明该变压器具有4：1的阻抗变换作用。,传输线变压器的输入阻抗为 ：,4.6 功率合成器,利用多个功率

11、放大电路同时对输入信号进行放大, 然后设法将各个功放的输出信号相加, 这样得到的总输出功率可以远远大于单个功放电路的输出功率，这就是功率合成技术。,（1）功率相加条件。即若有N个相同功率放大器，每个功率放大器为匹配负载提供额定的功率,理想的功率合成器不但应具有功率合成的功能，还必须满足下列条件：,（2）相互无关条件。即N个功率放大器彼此是隔离的。也就是说当任何一个功率放大器损坏时，不影响其余放大器工作，它们各自仍能够向负载提供自己的额定功率。,右图为采用7个功率增益为2，最大输出功率为10 W的高频功放，利用功率合成技术，可以获得40W的功率输出。,图 功率合成与分配电路框图,其中采用了三个一

12、分为二的功率分配器和三个二合一的功率合成器。很显然，讨论功率合成技术，首先应该讨论功率分配和功率合成网络。,实现理想功率合成的关键是魔T型混合网络（Hybrid Circuit）。魔T型混合网络有四个端点，分别是A端、B端、C端和D端，如图1所示。它的作用是：,1C端为同相功率合成端。当A、B两端输入等值,图1 功率合成示意图,D端为反相功率合成端。当A、B两端输入等值反相功率时，D端负载,上获得两输入功率的合成，而C端,A、B两输入端彼此隔离。即任一端功率放大器的工作状态变化或损坏时，不会影响另一端功率放大器的工作状态，并维持其原输出功率。,4利用该网络还可实现功率分配的功能。当,时，加在D

13、端的功率放大器将其输出功率均等地,输出；加到C端的功率放大器将其输出功率均等地分配给,4.6.2 魔T网络,利用传输线变压器可以组成各种类型的功率分配器和功率合成器, 且具有频带宽、 结构简单、插入损耗小等优点, 然后可进一步组成宽频带大功率高频功放电路。,图2所示的网络就具有上述特性，它既可以作功率分配，又可作功率合成，因此称之为魔T网络。,图2 魔T网络,魔T网络由4：1传输线变压器和相应的AO、BO、CO、DD四条臂组成，其中DD臂是平衡臂，臂的两端均不接地。,传输线变压器的特性阻抗,和每条臂上的阻值（负载,电阻或信号源内阻）满足以下关系：,一魔T网络的结构特点,图2 魔T网络,当 AO

14、、BO上接有相同的信号源，,且内阻为R，见图3所示。设各臂的电流方向如图示，则有,二魔T网络的功能,1功率合成,图3 功率合成网络,将上面两式相加或相减，分别得到,及,设AO、BO两臂的信号源的正负极性如图3（a）所示，称之为同相源，则此时电流,图3 功率合成网络,鉴于AO、BO为同相源，故称为同相功率合成。,看作两个电阻R的并联，所以AO、BO两支路上的信号,源均工作于匹配状态，输出额定功率,图3（b）,当AO、BO两臂的信号源为反相源时，即,传输线上无电流，可将其开路。,图3 功率合成网络,AO、BO两臂上的两信号源工作于匹配状态，它们的输出功率为,在 DD臂上得到合成功率，,输出功率为,

15、鉴于AO、BO为反相源，故称为反相功率合成。,得到图3（C）所示等效电路。,，,图3（C）,若信号源接在CO臂，见图4（a）。其输出功率同相地（见图中,、,平均分配给AO、BO臂上的负载，DD臂上无电流。即CO臂与DD臂相互隔离。,2功率分配,图4 同相功率分配,同相分配：,方向，均流向地）,由电路可知，,时，电路对称，,始端电压与终端电压相等，即,，因而,图4 同相功率分配,当,所以有,因此必有,A、B、C三个点短路，得到图4（b）电路。可见在规定的各臂阻值条件下，信号源与负载匹配，,CO臂上信号源输出额定功率,而AO、BO上获得地同相等功率信号,图4 同相功率分配,传输线上无电压。,可将传

16、输线变压器的,信号源接在DD臂，见图5。其输出功率,上的负载，CO臂上无电流。,图5 反相功率分配,反相分配：,由电路可知，当,时，由于电路对称，必有,，,，,得图5（b）等效电路。由图知，,可见在规定的各臂阻值下，信号源与负载匹配。信号源输出的额定功率,AO、BO上获得反相等功率输出。,C端无输出。由于传输线上两电流相等，因此有,，传输线上无电流。可将传输线开路，,图5 反相功率分配,4.6.3 功率合成电路介绍,图7是典型的反相功率合成原理电路。,图7 反相功率合成电路举例,转换，将不平衡转变为平衡端，送入魔T网络,的平衡臂,DD端，实现反相功率分配。由于两晶体管的输入电阻为,管的匹配电阻。晶体管的输出最佳负载电阻为,由于两放大器工作在乙类推挽状态，轮流导通，它们将两个等值反相的等功率信号放大后，利用魔T网络,作为平衡转换为不平衡网络，将合成后的功率,各传输线变压器的特性阻抗应为,反相功率合成电路的优点是：输出没有偶次谐波，因此失真较小；输入电阻比单边工作时高，因而引线电感的影响减小。,图8 同相功率合成电路举例,图8表示一个典型的同相功率合成器电路，图中,将C端的输入功率平均分配，供给A端与B端同相激励