高频电子线路（第4版）课件【ch04】高频功率放大器与功率合成技术

高频功率放大器与功率合成技术电子信息科学与电气信息类基础课程高频电子线路（第4版）第四章01概述内容提要高频功率放大器是各种无线电发射机的主要组成部分,在高频电子线路中占有重要地位由于其激励信号大,它的分析方法、指标要求、工作状态等方面都不同于高频小信号选频放大器。本章首先介绍谐振功率放大器的组成,工作原理及分析方法,讨论乙类、丙类、丁类功率放大器;然后介绍宽频带功率放大器;介绍功率合成器及集成功率放大器的原理和应用。概述我们已经知道,在低频放大电路中为了获得足够大的低频输出功率，必须采用低频功率放大器。同样,在高频范围，为了获得足够大的高频输出功率,也必须采用高频功率放大器。例如，绪论中所示发射机方框图中的高频部分，由于在发射机里的振荡器所产生的高频振荡功率很小，因此在它后面要经过一系列的放大一一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级,获得足够的高频功率后,才能债送到天线上辐射出去。这里所提到的放大级都属于高频功率放大器的范畴。由此可见，高频功率放大器是发送设备的重要组成部分。概述02谐振功率放大器分析在工程上，对于工作频率不是很高的谐振功率放大器的分析与计算，通常采用准线性的折线分析法。准线性放大是指仅考虑集电极输出电流中的基波分量在负载两端产生输出电压的放大作用所谓折线法，是指用几条直线来代替晶体管的实际特性曲线，然后用简单的数学解析式写出它们的表示式。将器件的参数代人表达式中,就可进行电路的计算。折线法在分析谐振功率放大器工作状态时,物理概念清楚,方法简便，但其准确度比较差,不过作为工程近似估算则可满足要求。准线性折线分析法的条件如下。谐振功率放大器的工作原理谐振功率放大器的工作原理可以按照晶体管在信号激励下一周期是否进入晶体管特性曲线的饱和区来划分谐振功率放大器的工作状态。分析谐振功率放大器的工作状态的性能。谐振功率放大器的工作状态分析从式中可以看出，谐振功率放大器的动态电阻R.与导通角有关,也与谐振电阻R有关。谐振功率放大器的工作状态分析不同的Rp有不同的动态线的斜率，因此,放大器的工作状态将随着Rp的不同而变化，图4.2.7做出了不同Rp时的三条负载线（对应三种工作状态）及相应的集电极脉冲波形振功率放大器的三种工作状态:欠压状态、临界状态、过压状态，对应的动态线分别为A1Q.A2Q,A3Q。谐振功率放大器的工作状态分析03谐振功率放大器电路组成欲使高频功率放大器正常工作,各电极必须有相应的馈电电源直流电源加到各电极上的线路叫做馈电线路。无论是集电极电路，还是基极电路它们的馈电方式都可分为串联馈电和并联馈电两种基本形式。无论是哪一种馈电方式,都是按照一定的原则组成的，这些原则取决于放大器的工作原理。直流馈电线路对于集电极电路,其电流是脉冲状,包含各种频率成分,集电极馈电线路应满足下列要求：1.直流能量应有效地加到品体管的集电极和发射极之间，而不应再有其他损耗直流能量的元件。集电极馈电线路直流馈电线路2.高频基波分量应有效地流过负载回路，以产生所需的高频输出功率除了回路以外应尽可能小地损耗基波分量的能量。3.除倍频器外，应有效地消除高频谐波输送到负载上的谐波功率应尽可能小4.直流电源及馈电元件的接人应尽可能减小分布参数的影响。集电极馈电线路直流馈电线路图4.3.2是基极馈电线路的两种形式。直流馈电线路LC匹配网络图4.3.4是几种常用的LC匹配网络。它们是由两种不同性质的电抗元件构成的L形T形和π形的双端口网络。由于LC元件消耗功率很小,可以高效地传输功率;同时，由于它们对频率的选择作用，决定了这种电路的窄带性质。下面说明它们的阻抗变换作用。输入/输出匹配网络LC匹配网络输入/输出匹配网络图4.3.7是一短波发射机的输出放大器。它采用感合回路做输出回路，多波段工作。由以上分析可知，改变互感M,可以完成阻抗匹配功能。输入/输出匹配网络图4.3.11是工作频率为50MHz的谐振功率放大电路,它向500外接负提供25W的功率功率增量达到7dB这个放大电路的基极馈电电路和输入匹配网络与图4.3.10所示的电路相同。谐振功率放大器的实用电路实例谐振功率放大器的实用电路实例04丁类(D类)功率放大器

图4.4.1是电流开关型D类放大器的原理线路和波形图，路通过高频变器Tr1使品体管VT1，VT2获得反相的方波激励电压。电流开关型D类放大器图4.4.2为一互补电压开关型D类功放的线路及电流电压波形。两个同型(NPN)管串联集电极加有恒定的直流电压Voc。电压开关型D类放大器05宽带高频功率放大电路

传送线变压器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，能在很宽的频率范围内获得线性放大。常用的宽带匹配网络是传输变压器,它可以使功放的最高频率扩展到几百兆赫兹甚至上千兆赫兹，并能同时覆盖几个倍频程的频带宽度。由于无选频滤波性能,故宽带高频功放只能工作在非线性失真较小的甲类状态,效率较低。所以，宽带高频功放是以牺性效率来换取工作频带的加宽的。06功率合成器

在高频功率放大器中，当需要的输出功率超过单个电子器件所能输出的功率时,可以将几个电子器件的输出功率叠加起来，以获得足够大的输出功率。这就是功率合成技术。讨论功率合成器原理之前，为了对功率合成器先有一个整体概念,我们举一个实际方框图示例如图4.6.1所示。这是一个输出功率为35W的功率合成器方框图示例图中每一个三角形代表一级功率放大器,每个菱形则代表功率分配或合成网络。功率合成与分配网络应满足的条件利用1:4传输线变压器组成的功率合成或分配网络的基本电路如图4.6.2(a)所示为了分析方便，也可以将它改画成如图4.6.2(b)所示的等效电路在分析时，应注意以下两点：1.根据传输线的原理，它的两个线中对应点所通过的电流必定是大小相等、方向相反的;2.在满足匹配条件，并略去传输线上的损耗时,变压器输人端与输出端电压的振幅也应该是相等的。功率合成（或分配）网络原理功率合成（或分配）网络原理功率合成电路举例07射频模块放大器和集成功率放大器简介

射频模块放大器预先封装好的射频模块放大器的最基本形式是一个采用混合电路技术的薄膜混合电路。混合电路是把固定元件和无源元件(分布元件或者集成元件)外接在一块介质衬底上，并将有源元件和无源元件以及互联做成一个整体，有源元件是指场效应管及各种晶体管。无源元件是指电感器电容器、电阻器等集中参数元件以及各种分布参数元件。这些集中参数元件和分布参数元件都是用薄膜电路和厚膜电路技术制造的。射频模块放大器采用混合电路技术的优点是电路性能好、可靠性高、尺寸小、重量轻、散热好、损耗低、成本价格便宜。这种电路技术的重点越来越多地放在制造工作频率更高的模拟集成电路上。本节介绍的这种射频放大器模块在宽频带范围内具有增益，并封装在带有四个引脚的晶体管封装内(还有微型封装和连接器封装等其他封装形式)。在晶体管封装中，两个引脚分别是输人端和输出端，另外两个引脚是地端和直流电源端。在VHF和UHF频段，已经出现了一些集成高频功率放大器件这些功率放大器件体积小，可靠性高,输出功率一般在几瓦至几十瓦之间。表4.7.1列出了Motorola公司集成高频放大器MHW系列部分型号的电特性参数。图4.7.2给出了MHW105外形图。图4.7.3是M57704系列功放的等效电路图。由图可知,它包括三级放大电路，匹配网络由微带线和LC元件混合组成。集成高频功率放大电路及应用简介集成高频功率放大电路及应用简介集成高频功率放大电路及应用简介08高频宽带放大器设计举例