高频第3章 功率放大器

第3章高频功率放大器

3.1概述3.2谐振式高频功率放大器的工作原理3.3谐振功率放大器的折线分析法3.4丙类高频功率放大电路3.6宽频带高频功率放大器3.7功率合成3.1概述一、高频功率放大器的功能

※功能：用小功率的高频输入信号去控制高频功率放大器将直流电源供给的能量转换为大功率的高频能量输出。其输出信号与输入信号的频谱相同。二、高频功率放大器的主要技术指标高频输出功率：Po效率ηc：输出功率Po/直流电源功率P=三、高频功率放大器的分类

※分为窄带放大器和宽带放大器两类。高频功率放大器希望输出中的谐波分量尽可能小，以免对其它频道产生干扰。国际对谐波辐射规定是：

(1)对中波广播来说，在空间任一点的谐波场强不得超过基波场强的0.02%。

(2)无论电台的功率有多大，在距电台一公里处的谐波场强不得大于50μV/m。在一般情况下，假如任一谐波的辐射功率不超过25mW，即可认为满足上述要求。3.2谐振高频功率放大器的工作原理一、基本电路及其特点

高频功率放大器：滤除晶体管工作在非线性特性产生的谐波分量功率匹配滤波以及阻抗变换输入信号基极静态偏置集电极静态偏置

二、工作原理

ic可用傅氏级数展开为

ic=Ic0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…+Icnmcosnωt

式中，Ic0为集电极电流的直流分量；Ic1m为集电极电流的基波电流振幅；Ic2m，…Icnm分别为集电极电流的二次至n次谐波电流振幅。脉冲形状的集电极电流ic流经谐振回路时，只有基波电流才产生电压降，即回路两端只有基波电压。因而输出的高频电压信号的波形没有失真。回路两端的基波电压振幅Ucm=Ic1mRp

式中，Rp为谐振回路的有载谐振电阻。各级电压和电流波形3.3谐振功率放大器的折线分析法一、晶体管特性曲线的理想化及其解析式在大信号工作条件下，理想化特性曲线的原理就是认为，在放大区集电极电流和基极电流不受集电极电压影响，而又与基极电压成线性关系。在饱和区集电极电流与集电极电压成线性关系，而不受基极电压的影响。

斜率g分段折线化处理正向传输特性曲线的理想化二、集电极余弦电流脉冲的分解

(一)余弦电流脉冲的表示式余弦电流脉冲是由脉冲高度IcM和通角θc来决定的。只要知道这两个值，脉冲形状便可完全确定。设激励信号为ub=Ubmcosωt，则ube=Vbb+Ubmcosωt。而晶体管理想化正向传输特性可表示为

ic=0

ube<Ubz

ic=gc(ube-Ubz)

ube≥Ubz

将ube代入式中可得ic=gc(Vbb+Ubmcosωt-Ubz)（1）当ωt=θ时，ic=0（2）当ωt=0时，ic=Icm

UbmcosθUbm（1-cosθ）

(二)余弦电流脉冲的分解系数周期性的电流脉冲可以用傅氏级数分解为直流分量、基波分量及高次谐波分量

ic=Ic0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…+Icnmcosnωt其中：三、高频功率放大器的功率与效率

直流电源Vcc供给的直流功率：P==VccIco高频一周的平均输出功率：晶体管集电极损耗功率：Pc=P=-Po集电极效率式中，集电极电压利用系数：ξ=Ucm/Vcc；波形系数：g1(θc)=Ic1m/Ico=α1(θc)/αo(θc)四、高频功率放大器的动态特性

放大器的动态特性：在晶体管、电源电压Vcc和Vbb、输入信号振幅Ubm和输出信号振幅Ucm(或Rp)一定的条件下，ic=f(ube,uce)的关系。由于是工作于丙类状态，高频功率放大器的动态特性不是一条直线，而是折线。当放大器工作于谐振状态时gdB动态线折线化转移特性和输出特性曲线：

ic=gc(ube-Ubz)

gd=-gcUbm/Ucm，

在uce轴上的截距为

功率放大器通常是按晶体管集电极电流通角θc不同划分为甲类、乙类和丙类放大器。谐振功率放大器的工作状态分为欠压、临界和过压三种状态。三种不同工作状态(欠压、临界和过压)的电压和电流波形。五、高频功率放大器的负载特性负载特性是指在晶体管及Vcc、Vbb、Ubm一定时，改变回路谐振电阻Rp，高频功率放大器的工作状态、电流、电压、功率和效率随Rp变化的关系。

结论:1、在欠压工作状态的大部分范围内，当Rp=0，即负载短路时，集电极损耗功率Pc达最大值，有可能使功率晶体管烧坏。因此，在调整谐振功率放大器的过程中，必须防止负载短路。3、在过压工作状态，当谐振电阻变化时，输出信号电压振幅Ucm变化较小，多用于需要维持输出电压比较平稳的场合，如发射机的中间放大级。2、在临界工作状态，输出功率最大，且集电极效率也高，常用于发射机的功率输出级。六、各级电压变化对工作状态的影响

(一)改变集电极电源电压对工作状态的影响当集电极电源电压由大变小时，高频功率放大器的工作状态是由欠压状态变到临界状态，然后进入过压状态。改变Vcc对工作状态的影响

(二)改变Ubm对工作状态的影响高频功率放大器的工作状态应由临界状态进入过压状态。因为过压状态的电流脉冲为凹顶脉冲，动态特性的斜率gd=-gcUbm/Ucm。在过压区，随Ubm增大，Ucm增大缓慢。也就是说gd要略为增加。改变Ubm对工作状态的影响改变Ubm对电流和功率的影响

(三)改变Vbb对工作状态的影响高频功率放大器的工作状态将由临界状态变成过压状态。随着Vbb的增加，工作状态由欠压至临界，然后进入过压。在欠压状态，随着Vbb的增大，IcM增大，Ic0和Ic1m随Ubm增大而增大，但不是线性关系。在过压状态，随着Vbb增大，IcM略增，但凹顶脉冲的分解系数小，故Ic0和Ic1m随Vbb增大而略增。改变Vbb对工作状态的影响3.4丙类高频功率放大电路输入、输出回路在谐振功率放大器中的作用：提供放大器所需的正常偏置；实现滤波(调谐于基波频率)；保证阻抗匹配。它由直流馈电电路和匹配网络两部分组成。串馈，将电子器件、负载回路和电源三部分是串联起来。并馈，将电子器件、负载回路和电源三部分并联起来一、直流馈电电路晶体管高频功率放大器的直流馈电电路分为集电极馈电电路和基极馈电电路两类。(一)集电极馈电电路(二)基极馈电电路基极馈电电路的组成也有串联馈电和并联馈电两种形式。基极馈电的两种形式二、匹配网络

由于高频功率放大器工作于非线性状态，因此线性电路的阻抗匹配（负载阻抗与电源内阻相等）概念已不适用。高频功放的阻抗匹配的概念是：在给定的电路条件下，改变负载回路的可调元件，使电子器件送出额定的输出功率PO至负载。这就叫达到了匹配状态。常用的的匹配网络有T型、L型选频匹配网络。3.6宽频带高频功率放大器窄带高频功率放大器宽带高频功率放大器适用于固定频率或频率变化范围较小的高频设备一般工作在丙类状态适用于频率相对变化范围较大的短波、超短波的高频设备工作在甲类、甲乙类一、高频传输线变压器的特性及原理信号电压由1、3端把能量加到传输线变压器，经过传输线的传输，在2、4端将能量馈给负载。传输线变压器在高频段和低频段上，传送能量的方式是不同的：在高频时，主要通过电磁能交替变换的传输线方式传送。在低频时，将同时通过传输线方式和磁耦合方式进行传送。频率越低，传输线传输能量的效率就越差，就更多地依靠磁耦合方式来进行传送。二、宽频带传输线变压器电路

(一)1∶1传输线变压器在RL=ZC=RS的条件下，在RL上可获得最大功率。

(二)1∶4阻抗变换传输线变压器

1∶4传输线变压器可以起一个1∶4阻抗变换器的作用，即RS∶RL=1∶4。在最佳匹配条件下，Rs=Zi=Zc/2=RL/4。这个传输线变压器相当于1∶4阻抗变换器。1∶4传输线变压器(三)4∶1阻抗变换传输线变压器在最佳匹配条件下，RS=Zi=2Zc=4RL。4∶1阻抗变换器3.7功率合成一、高频功率合成的一般概念功率合成电路的原理是用N个相同的功率放大器，通过混合电路使其输出功率在公共负载上叠加起来，即总输出功率PL=NP1。对功率合成器的要求是：

1.如果每个放大器的输出幅度相等，供给匹配负载的额定功率均为P1，那么，N个放大器在负载上的总功率应为NP1。

2.合成器的输入端应彼此相互隔离，其中任何一个功率放大器损坏或出现故障时，对其他放大器的工作状态不发生影响。

3.当一个或数个放大器损坏时，要求负载上的功率下降要尽可能的小。

4.满足宽频带工作要求。在一定通带范围内，功率输出要平稳，幅度及相位变化不能太大，同时保证阻抗匹配要求。二、功率合成网络

(一)反相激励合成网络反相激励合成网络

A、B两端加以反相激励电压。通常RA=RB=ZC=R，RC=ZC/2=R/2，RD=2ZC=2R。在A点IA=I1+ID

在B点IB=ID-I1

上二式相减，得2I1=0，即I1=0，ID=IA。RD上获得功率为

PD=IA(2U)=2UIA

而A、B两端每边的输出功率为PA=PB=UIA

因此，PD=PA+PB=2PA

因为I1=0，所以RC上的功率PC=0，即C点处没有功率输出。(二)同相激励合成网络A、B两端加以同相激励电压。通常取RA=RB=ZC=R,RC=ZC/2=R／2,RD=2ZC=2R。同相激励合成网络在A点IA=I1+ID

在B点IB=I1-ID

上二式相减，得出2ID=0，即ID=0，IA=I1，IB=I1。RC上获得功率为PC=(2I1)2RC=2I12R=2IA2R

因为RA=RB=R，每一功率源送给负载的功率为

PA=IA2RPB=IB2R

因此，可得PC=PA+PB。由此可见，当A、B