高频电子线路李生9

1、第第9次课次课l直流馈电线路与匹配网络直流馈电线路与匹配网络l匹配网络匹配网络l传输线变压器传输线变压器l功率合成功率合成l集成高频功率放大器件集成高频功率放大器件 3.2.3直流馈电线路与匹配网络直流馈电线路与匹配网络 1. 直流馈电线路直流馈电线路 在高频功放的在高频功放的输入回路输入回路和和输出回路输出回路应分别加上合适的直流应分别加上合适的直流偏压偏压, 有关的直流馈电线路可分为有关的直流馈电线路可分为串联馈电串联馈电和和并联馈电并联馈电两种基两种基本电路形式。本电路形式。ube=ubb+ubmcost uce=ucc-ucmcost。 图图 3.2.11 集电极馈电线路集电极馈电线路

2、(a) 串联馈电；串联馈电； (b) 并联馈电并联馈电 ucla uccucccccuclc ucccc2lc bcc1uccucc(a)(b)lcc(1) 集电极馈电集电极馈电线路。图线路。图3.2.11给出了集电极馈电线路的两给出了集电极馈电线路的两种基本形式。种基本形式。 串联馈电方式串联馈电方式优点优点: lc和和cc处于高频地电位处于高频地电位, 它们对地的分布电容不会影响回它们对地的分布电容不会影响回路的谐振频率路的谐振频率.缺点缺点:电容器电容器c的动片不能直接接地的动片不能直接接地, 安装调整不方便。安装调整不方便。并联馈电方式并联馈电方式缺点：由于缺点：由于lc和和cc1不处

3、于高频地电位不处于高频地电位, 它们对地的分布电容直它们对地的分布电容直接影响回路的谐振频率。接影响回路的谐振频率。优点：回路处于直流地电位优点：回路处于直流地电位, l、c元件可接地元件可接地, 故安装调整方便。故安装调整方便。 (2) 基极馈电线路。基极馈电线路。 基极馈电也有基极馈电也有串馈串馈与与并馈并馈两种形式。两种形式。但对于丙类谐振功放但对于丙类谐振功放, 通常采用通常采用自给偏压方式自给偏压方式。乙类功放不能采用自给偏压方式。乙类功放不能采用自给偏压方式。图 3.2.12 谐振功放的基极偏置电路 cb2lbrbcb1cblbrececblb(a)(b)(c)2 .匹配网络匹配网

4、络 为了使谐振功放的输入端能够从信号源或前级功放得到有为了使谐振功放的输入端能够从信号源或前级功放得到有效的功率效的功率, 输出端能够向负载输出不失真的最大功率或满足后级输出端能够向负载输出不失真的最大功率或满足后级功放的要求功放的要求,在谐振功放的输入和输出端必须加上匹配网络。在谐振功放的输入和输出端必须加上匹配网络。 匹配网络的作用是在所要求的信号频带内进行有效的阻抗匹配网络的作用是在所要求的信号频带内进行有效的阻抗变换变换(根据实际需要使功放工作在临界点、根据实际需要使功放工作在临界点、 过压区或欠压区过压区或欠压区), 并并充分滤除无用的杂散信号。充分滤除无用的杂散信号。 第第1章已介

5、绍了几种基本章已介绍了几种基本lc选频匹选频匹配网络配网络, 具体应用时为了产生良好的选频匹配效果具体应用时为了产生良好的选频匹配效果, 常采用多节常采用多节匹配网络级联的方式。匹配网络级联的方式。为了衡量输出匹配网络上的功率损耗，可以定义为了衡量输出匹配网络上的功率损耗，可以定义回路效率回路效率为为olnpp（3.2.15）其中，其中，pl、po分别是负载上得到的功率和功放的输出功分别是负载上得到的功率和功放的输出功率率 例例3.4 分析图例3.4所示工作频率为175 mhz的两级谐振功率放大电路的组成及元器件参数。pi=1w, po=12w, rs=50, rl=50。po1=4w, uc

6、c=13.5 v。 图例 3.4 c1r1 rsc2r2v1r3 r1c3c4l1l2r4v2r5 r2c5l3c6rs 50 (前级输出电阻)c7c8c9c10uccrl 50 2042) 15 .13(221211ocmpur6122)5 . 15 .13(22222ocmpur3da21a和3da22a, 工作在临界状态, 饱和压降分别为1v和1.5v。3da21a和3da22a的输入阻抗分别为r2=7和r4=5, 故rsr2, r1 r4, r2rl, 即不满足匹配条件, t型选频匹配网络：c1、c2、l1c3、c4、l2倒l型选频匹配网络：c5、l3、c6 三个选频匹配网络在175m

7、hz工作频率点的输入阻抗分别是r1、r3和r5。且有r1=rs=50, r3= r1=20, r5= r2= 6。 高频大功率晶体管在高频段时：高频大功率晶体管在高频段时： 功放管的输入电容可以忽略，功放管的输入电容可以忽略， 仅考虑输入电阻即可；仅考虑输入电阻即可； 而输出电阻很大，而输出电阻很大， 可以忽略，可以忽略， 只需要考虑输出电容。只需要考虑输出电容。 其中第一级输入匹配网络是其中第一级输入匹配网络是t型，可直接采用第型，可直接采用第1章例章例1.4所得所得结果确定其中三个电抗元件值。结果确定其中三个电抗元件值。设q25，由式（1.1.39）、（1.1.40）、（1.1.41）可求

8、得pfrfqqchfrqlpfrqfcqree9 .16182101752625. 152032. 01017527522 .1150625. 1101752121625. 1,1826012260221611011 第一级与第二级之间的级间匹配网络虽然也采用第一级与第二级之间的级间匹配网络虽然也采用t型网络，型网络，但但由于要考虑第一级放大器输出电容的影响，故不能直接采用由于要考虑第一级放大器输出电容的影响，故不能直接采用例例1.4所得结果。所得结果。第二级输出匹配网络同样要考虑第二级放大器第二级输出匹配网络同样要考虑第二级放大器输出电容的影响，所以也不能直接采用倒输出电容的影响，所以也不能

9、直接采用倒l型匹配网络的公式。型匹配网络的公式。 有关级间和输出匹配网络的公式推导较复杂，有关级间和输出匹配网络的公式推导较复杂， 故此处不再故此处不再讨论。讨论。3da21a 与与 3da22a的输出电容分别是的输出电容分别是 36pf 和和 80 pf。 结果为结果为c323.3 pf，c420.7 pf，l20.023h，c518.2 pf，l30.071h，c623.9 pf。 以上计算未考虑晶体管参数的分散性和分布参数的影响。以上计算未考虑晶体管参数的分散性和分布参数的影响。 c1c6均采用可变电容器均采用可变电容器, 其最大容量应为计算值的其最大容量应为计算值的23倍。倍。 通过实

10、验调整通过实验调整, 最后确定匹配网络元件的精确值。最后确定匹配网络元件的精确值。 电路中四个高扼圈的电感量为电路中四个高扼圈的电感量为1h左右左右, 其中其中两个作为基极直流偏置的组成元件两个作为基极直流偏置的组成元件, 另外两个在集另外两个在集电极并馈电路中对电极并馈电路中对ic中的各次谐波分量起阻挡作用中的各次谐波分量起阻挡作用, 并为集电极直流电源提供通路。高频旁路电容并为集电极直流电源提供通路。高频旁路电容c7和和c9的值均为的值均为0.05f, 穿心电容穿心电容c8和和c10为为1500 pf, 它们使高次谐波分量短路接地。它们使高次谐波分量短路接地。 一般来说一般来说, 在在40

11、0mhz以下的甚高频以下的甚高频(vhf)段段, 匹配网络通常采用第匹配网络通常采用第1章介绍的集总参数章介绍的集总参数lc元件组成元件组成, 而在而在400mhz以上的超高频以上的超高频(uhf)段段, 则需使用分布参数的微带线组成匹配网络则需使用分布参数的微带线组成匹配网络, 或使或使用微带线和用微带线和lc元件混合组成。元件混合组成。 微带线又称微带传输线微带线又称微带传输线, 是用介质材料把单根带状导体与是用介质材料把单根带状导体与接地金属板隔离而构成的接地金属板隔离而构成的, 图图3.2.13给出了结构示意图和符号。给出了结构示意图和符号。 微带线的电性能微带线的电性能, 如特性阻抗

12、、如特性阻抗、 带内波长、带内波长、 损耗和功率容损耗和功率容量等量等, 与绝缘基板的介电系数、与绝缘基板的介电系数、 基板厚度基板厚度h和带状导体宽度和带状导体宽度w有关。实际使用时有关。实际使用时, 微带线是采用双面敷铜板微带线是采用双面敷铜板, 在上面作出各种在上面作出各种图形图形, 构成电感、构成电感、 电容等各种微带元件电容等各种微带元件, 从而组成谐振电路、从而组成谐振电路、 滤波器以及阻抗变换器等的。滤波器以及阻抗变换器等的。 w薄铜带绝缘基板(相对介电系数为c1)h铜底层w薄铜带绝缘基板(相对介电系数为c1)h铜底层 宽带高频功率放大电路采用非调谐宽带网络作为匹配网络宽带高频功

13、率放大电路采用非调谐宽带网络作为匹配网络, 能在很宽的频带范围内获得线性放大。常用的宽带匹配网络是能在很宽的频带范围内获得线性放大。常用的宽带匹配网络是传输线变压器传输线变压器, 它可使功放的最高频率扩展到几百兆赫甚至上它可使功放的最高频率扩展到几百兆赫甚至上千兆赫千兆赫, 并能同时覆盖几个倍频程的频带宽度。并能同时覆盖几个倍频程的频带宽度。 由于无选频滤由于无选频滤波性能波性能, 故故宽带高频功放只能工作在非线性失真较小的甲类或宽带高频功放只能工作在非线性失真较小的甲类或乙类状态乙类状态, 效率较低效率较低。所以。所以, 宽带高频功放是以牺牲效率来换取宽带高频功放是以牺牲效率来换取工作频带的

14、加宽。工作频带的加宽。3.3 宽带高频功率放大电路宽带高频功率放大电路与功率合成电路与功率合成电路3.3.1传输线变压器传输线变压器 1. 宽频带特性宽频带特性 普通变压器上、下限频率的扩展方法是相互制约的。普通变压器上、下限频率的扩展方法是相互制约的。为了为了扩展下限频率扩展下限频率, 就需要增大初级线圈电感量就需要增大初级线圈电感量, 使其在低频段也能使其在低频段也能取得较大的输入阻抗取得较大的输入阻抗, 如采用高导磁率的高频磁芯和增加初级如采用高导磁率的高频磁芯和增加初级线圈的匝数线圈的匝数, 但这样做将使变压器的漏感和分布电容增大但这样做将使变压器的漏感和分布电容增大, 降低降低了上限

15、频率；了上限频率；为了扩展上限频率为了扩展上限频率, 就需要减小漏感和分布电容就需要减小漏感和分布电容, 减小高频功耗减小高频功耗, 如采用低导磁率的高频磁芯和减少线圈的匝数如采用低导磁率的高频磁芯和减少线圈的匝数, 但这样做又会使下限频率提高。但这样做又会使下限频率提高。 图 3.3.1 1 1传输线变压器结构示意图及等效电路 (a) 结构图； (b)、 (c)、 (d) 等效电路 rl421rssu3(a)surs12341u2url(b)surs1u2u1234rl131u242u(c)(d )图 3.3.2 4 1阻抗变换器 suuu1234iiursrli2图图 3.3.3 宽带高频

16、功率放大电路宽带高频功率放大电路 v1471.8 kcc1121.2 kv2cc25028 v3.3.2功率合成功率合成 利用多个功率放大电路同时对输入信号进行放大利用多个功率放大电路同时对输入信号进行放大, 然后设然后设法将各个功放的输出信号相加法将各个功放的输出信号相加, 这样得到的这样得到的总输出功率可以远总输出功率可以远远大于单个功放电路的输出功率远大于单个功放电路的输出功率，这就是，这就是功率合成技术功率合成技术。 利用功率合成技术可以获得利用功率合成技术可以获得几百瓦几百瓦甚至甚至上千瓦上千瓦的高频输出功率。的高频输出功率。 图 3.3.4 功率合成器原理图 分合5 w10 w10

17、 w10 w5 w分合5 w10 w10 w10 w5 w分10 w5 w输入5 w5 w合20 w20 w40w输出功率合成单元功率合成单元 在在vhf和和uhf频段频段, 已经出现了一些集成高频功率放大已经出现了一些集成高频功率放大器件。这些功放器件体积小器件。这些功放器件体积小, 可靠性高可靠性高, 外接元件少外接元件少, 输出功率输出功率一般在几瓦至十几瓦之间。日本三菱公司的一般在几瓦至十几瓦之间。日本三菱公司的m57704系列、美系列、美国国motorola公司的公司的mhw系列便是其中的代表产品。系列便是其中的代表产品。 表表3.4.1列出了列出了motorola公司集成高频功率放

18、大器公司集成高频功率放大器mhw系列中部分型号的电特性参数。图系列中部分型号的电特性参数。图3.4.1给出了其中一种型给出了其中一种型号的外形图。号的外形图。 3.4 集成高频功率放大电路及应用简集成高频功率放大电路及应用简图 3.4.1 mhw105外形图 mhw系列中有些型号是专为便携式射频应用而设计的系列中有些型号是专为便携式射频应用而设计的, 可用于可用于移动通信系统中的功率放大移动通信系统中的功率放大, 也可用于也可用于工商业便携式射工商业便携式射频仪器频仪器。使用前。使用前, 需调整控制电压需调整控制电压, 使输出功率达到规定值。使输出功率达到规定值。在使用时在使用时, 需在外电路

19、中加入功率自动控制电路需在外电路中加入功率自动控制电路, 使输出功率使输出功率保持恒定保持恒定, 同时也可保证集成电路安全工作同时也可保证集成电路安全工作, 避免损坏。避免损坏。 控制控制电压与效率、电压与效率、 工作频率也有一定的关系。工作频率也有一定的关系。 厚膜电路：厚膜电路：指的是电路的制造工艺指的是电路的制造工艺, ,是指在陶瓷基片上采用部分是指在陶瓷基片上采用部分半导体工艺集成分立元件、裸芯片、金属连线等，一般其半导体工艺集成分立元件、裸芯片、金属连线等，一般其电阻是印刷在基片上，通过激光调节其阻值的一种电路封电阻是印刷在基片上，通过激光调节其阻值的一种电路封装形式装形式, ,阻值

20、精度可达阻值精度可达0.5%.0.5%.一般用于微波和航天领域。一般用于微波和航天领域。1 1）基板材料：基板材料：96%96%氧化铝或氧化铍陶瓷氧化铝或氧化铍陶瓷2 2）导体材料：银、钯、铂等合金，最新也有铜）导体材料：银、钯、铂等合金，最新也有铜 3 3）电阻浆料：一般为钌酸盐系列）电阻浆料：一般为钌酸盐系列 4 4）典型工艺：）典型工艺：cad-cad-制版制版-印刷印刷-烘干烘干-烧结烧结-电阻修正电阻修正-引脚安装引脚安装-测试测试 5 5）名字来由：电阻和导体膜厚一般超过）名字来由：电阻和导体膜厚一般超过1010微米，相对溅微米，相对溅射等工艺所成电路的膜厚了一些，故称厚膜。当然，现在射等工艺所成电路的膜厚了一些