第3章---射频功率放大器.ppt

1、3.3功率放大器电路的阻抗匹配网络3.3.1阻抗匹配网络的基本要求。在射频功率放大器中，阻抗匹配网络是为了实现功率放大器电路和负载之间的有效能量传输，如图3.17所示。图中的负载可以是天线网络或后级功率放大器输入电路的输入阻抗。在图3.18所示功率放大器的组成框图中，匹配网络的任务是将外部负载电阻转换为功率管所需的最佳交流负载。匹配网络也会引入一定的损耗，传输效率为T=P1/Pout 100%。图3.17阻抗匹配网络的连接和图3.18功率放大器组成框图。阻抗匹配网络的基本要求是：1)变换负载阻抗以匹配功率放大器电路的要求，以确保射频功率放大器电路能够输出最大功率。2)可以滤除不必要的谐波成分，

2、以确保负载可以获得所需频率的射频功率。3)网络的功率传输效率应尽可能高，即匹配网络的损耗应小。射频功率放大器常用的匹配网络有L形、L形和T形，有时也使用电感耦合匹配网络。根据匹配网络的特点，功率放大器可以分为非谐振功率放大器和谐振功率放大器。非谐振功率放大器的匹配网络采用高频变压器、传输线变压器等非谐振系统，其负载阻抗呈现纯电阻特性。谐振功率放大器的匹配网络是一个谐振系统，其负载阻抗是无功的。3.3.2集总参数匹配网络，L形匹配网络L形匹配网络的基本形式如图3.19所示。图中的X1通常是电容元件，而X2是电感元件。RL和RS之间的精确匹配只能在特定频率f0下实现。在特定频率f0下，l形匹配网络

3、中每个元件的关系如(3.3.2)和(3.3.4)所示。这种匹配网络结构简单，但只适用于RSRL。此外，当给定RS和RL时，Qe值是确定的，因此不能调整。图3.19”形匹配网络的基本形式，图320为“2”形匹配网络。串联支路x1是电感元件l，并联支路XC1和XC2是电容元件C.在一定的频率范围内，可以得到形状匹配网络的设计关系，如(3.3.5)(3.3.7)所示。当工作频率较高时，匹配网络中必须考虑射频功率管的输出电容Cout。此时，Cout的容抗应包含在XC1中，计算C1值时应减去Cout值。图3.20形匹配网络，图3.21形匹配网络t形匹配网络如图3.21所示，三个电抗元件连接成t形结构。t

4、形网络也可以看作是两个L形网络的串联，但必须注意的是，这两个L形网络的串联支路和并联支路的电抗必须不同，如图3.22所示。将丁字匹配网络分解成两个串联的丁字匹配网络后，利用丁字匹配网络的分析方法，可以推导出丁字匹配网络的设计关系。通过分析，可以得出丁字匹配网络的设计关系。图3.21丁字匹配网络和图3.22丁字网络分解。上述丁字匹配网络和丁字匹配网络都可以看作是L字匹配网络的串联组合网络。这种L形网络兼具阻抗变换和阻抗补偿特性，因此被广泛应用于射频功率放大器的匹配网络中。3.3.3输电线路变压器匹配网络、1输电线路变压器结构和等效电路输电线路变压器由输电线路绕磁环缠绕而成。传输线可以是同轴电缆、

5、带状传输线、双绞线或高强度漆包线，磁芯由高频铁氧体磁环或镍锌制成。当频率高时，使用镍锌材料。磁环的直径只有几毫米，磁环的直径是几十毫米。选定的磁环直径与功率有关。15W功率放大器需要一个mag图3.23图3.23和图3.23示出了11个反向传输线变压器的等效电路。图3.23和图3.23在电路连接上是相同的。作为传输线变压器，两个和三个端子或一个和四个端子必须接地。从电源端子13看到的阻抗应该等于负载阻抗R1(等于传输线的特征阻抗ZC)，因为输出电压与输入电压相反，所以它等效于反相变压器。当传输线变压器工作在变压器模式时，其主要功能是实现输入输出之间的阻抗变换、平衡和不平衡变换。要反转输出电压，

6、端子2必须接地(见图3.23b)。传输线变压器将传输线缠绕在磁芯上，12端有很大的感抗，所以信号源不会短路；类似地，感抗存在于端子43处，并且负载不会短路。如图3.23所示，输入信号和负载分别施加到初级侧的12端绕组和次级侧的34端绕组。绕组上输入信号的电压为u，与传输线上的初始电压相同；由电磁感应在负载RL上产生的电压也是u，它与传输线的端电压相同。可见，传输线变压器可以实现信号传输和信号逆变。必须指出，传输线变压器是一种通过传输线传输能量的宽带匹配元件。其上限频率取决于传输线的长度及其终端匹配度，其下限频率取决于初级绕组的电感。211巴伦采用传输线变压器原理，可用于制作宽带巴伦。图3.24

7、a显示了将平衡输入转换为不平衡输出的电路；图3.24b示出了将不平衡输入转换成平衡输出的电路，其中两个绕组上的电压值都是u/2。以3.24b为例，讨论其电压关系。这个电路的阻抗匹配条件是里泽尔，或者写成ZC=里泽尔。根据传输线原理，如果u13u被设置，那么u24u13u。负载的中点接地，因此uAD uDB u/2、u13u12 uAD、u12u13- uAD u/2在两个绕组上具有相同的电压，因此u34u12u/2。图3.24 11巴伦、314和4 1传输线变压器传输线变压器也可用于阻抗变换。由于输电线路变压器的一次绕组和二次绕组的匝数相同，输电线路变压器只能实现某些特定的阻抗变化。它不能像普

8、通变压器那样通过改变一次绕组和二次绕组的匝数比来实现任何阻抗比变换，而只能通过改变线路的连接来实现某些特定的阻抗变换。常用的阻抗变换形式有14和41、19和91、116和161等。14传输线变压器如图325a所示。它将负载阻抗降低到原始阻抗的1/4，以匹配信号源。在图中，因为变压器的四个端子与一个端子连接，所以两个端子43处的电压必须等于传输线的输入电压u，并且因为传输线的端子24处的电压也像输入端子一样是u，所以负载电阻器的两个端子，即端子23(接地端子)处的电压是2u，并且流过负载的电流是I，即i2urr。此外，当电流I从端1通过传输线到达端2时，在传输线的另一个导体上必须有电流I，即i2

9、u/RL。当电流I从一端1通过传输线到达另一端2时，在传输线的另一个导体上必须有电流I从一端4流到另一端3。因为端4与端1相连，所以该电流相当于端1到端3的电流。结果，从信号源流入传输线输入端的总电流为2i。根据以上分析，传输线变压器的输入阻抗如(3.3.14)所示。等式(3.3.14)显示变压器将RL转换为RL/4，即输入阻抗与负载阻抗之比为14，从而实现阻抗转换为14。变压器形式的14条传输线的等效电路如图3.25b所示.它相当于一个升压自耦变压器。当端子43处的输入电压为U时，感应电压为如果输入和输出端被切换，图3.25中所示的14个传输线变压器将变成图3.26a中所示的41个传输线变压

10、器，这将使负载增加4倍以匹配信号源。由于传输线的两根导线之间的电压为u，两根导线上的电流为I，但方向相反，41阻抗变换传输线变压器的电压和电流如图3.26a所示。从图中可以看出，施加在RL两端的电压为uo，流经RL的电流为2i，因此存在uo=2RL或i=uo/2RL。 并且传输线输入端的等效电阻为Ri=2ui，因此负载电阻被传输线变压器转换后变压器输入端的等效电阻如(3.3.16)所示。传输线的特性阻抗如(3.3.17)所示。变压器形式的41传输线变压器的等效电路如图3.26b所示，相当于一个降压自耦变压器。当在端子14处施加2u的电压时，在端子13和24处获得电压U，从而确保传输线的两个导体

11、之间的电压总是U，使得传输线能够正常工作。从阻抗变换的角度来看，它是一个21的自耦变压器，所以阻抗变换关系为41。此外，还有91、19、161和116个输电线路变压器。3.4功率合成和分配3.4.1功率合成器，如果单个射频有源器件的最大功率输出不能满足设计要求，可以利用功率合成技术将两个或多个射频功率放大电路的输出信号同相加，以提高射频输出功率。例如，每个射频功率放大器电路的最大输出功率为1W。如果10个相同的放大器电路并联，通过功率合成网络可以获得10W的射频功率输出。当主动设备直接并行使用时，对主动设备的一致性要求非常高。如果多个有源器件直接并联使用，放大器电路的效率和稳定性会降低(一个有

12、源器件的损坏可能导致整个放大器电路不可用)，输入输出匹配网络的设计会更加困难。因此，功率合成网络和功率分配网络通常用于并联有源器件以增加输出功率。1单级功率合成放大器电路单级功率合成放大器电路的原理图如图327所示。输入功率Pi平均分配给N个放大器电路，放大器电路的功率增益为Gi(i=1，2，N)。输入信号经多个放大器放大后，射频功率由功率合成网络相加并输出。在功率合成网络中，应该特别注意功率合成的相位，它应该是同相相加的形式。如果在功率合成期间相位不一致，将不会实现同相相加，这将降低输出功率，并可能损坏有源功率器件。图3.27单级功率合成放大器电路示意图多级功率合成放大器电路如图3.28所示

13、。每两个放大器电路的输出功率通过第一级功率合成网络相加，每两个输出功率通过第二级功率合成网络相加。图3.28多级功率合成放大电路原理图，3基于3dB耦合器的功率合成电路平衡放大电路中使用的3dB耦合器可以作为功率合成网络，在一个端口输出两个端口输入的功率，其电路原理图如图3.29所示。电路由两个对称部分组成。射频输入信号通过3dB耦合器分成两路，分别送到上下放大电路放大，然后送到3dB耦合器输出。图3.29基于3dB耦合器的功率合成电路4基于魔t混合网络的功率合成电路由传输线变压器组成的混合网络具有频带宽、结构简单、损耗低的特点，因此被称为魔t混合网络。当用于实现功率组合或功率分配时，它具有以

14、下特征：1)如果有n个相同的功率放大器，并且每个功率放大器为匹配负载提供额定功率P1，则在n个负载上获得的总功率为NP1。2)N个功率放大器相互隔离。也就是说，当任何一个功率放大器损坏时，它不会影响其他放大器的工作，并且每个放大器仍将向负载提供其自己的额定功率。3)当一个或几个功率放大器损坏时，负载获得的功率下降尽可能小。在最佳情况下，减小值等于受损放大器数量m和额定功率P1的乘积，即MP1。目前，基于魔T形混合网络的功率合成电路已经得到广泛应用，可以获得几百瓦至几千瓦的高频输出功率。显然，实现理想功率组合的关键是神奇的T型混合网络。神奇的T形混合网络有四个端点，即A、B、C (S)和D(端)

15、。当两个频率相同的信号加到AB上时，输出功率可以乘以C(或D)，这就是所谓的功率组合。功率合成分为同相功率合成(或零相合成)和反相功率合成(或相合成)。由41或14个输电线路变压器组成的混合网络如图3.30所示。图3.30a为逆功率合成电路，Tr1为神奇的t形混合网络，Tr2为11平衡不平衡变压器。两个等值、反相、同频信号分别加到AB端，在D端合成功率，但在C端不产生输出，这称为逆功率合成。图3.30 41魔术T形混合网络功率合成电路，使用如图3.31所示的由两个11线变压器组成的魔术T形网络，也可以完成功率合成。图3.31 11个输电线路变压器构成了一个神奇的T形网络和3.4.2功率分配器。

16、在射频微波电路中，为了按一定比例将功率分成两路或多路，必须使用功率分配器。功分器广泛应用于射频微波大功率固态发射器的功率放大器中，通常成对使用，将功率分成若干部分，然后分别放大，再合成输出。如图3.32所示，分流功率分配器是一种三端口网络结构。信号输入端的电源是P1，而另外两个输出端口的电源分别是P2和P3。根据能量守恒定律，P1P2P3。图3.32功分器示意图。在实际电路中，最常见的情况是P2(dBm)P3(dBm)。如果P2(dBm)P3(dBm)，三个端口之间的功率关系可以写成P2 (DBM) P3 (DBM)引脚(DBM)-3db (3.4.9)，但P2不必等于。因此，功率分配器可以分

17、为两种类型：等份型(P2P3)和比例型(P2kP3)。功分器的技术指标包括频率范围、功率、主电路到支路的分配损耗、输入输出间的插入损耗、支路端口间的隔离、各端口的电压驻波比等。分功率分配器根据电路元件的不同，分功率分配器可以分为电阻型和LC型。1)电阻式等分功分器电路仅采用电阻设计，根据结构可分为y形和y形，如图3.33a和图3.33b所示，在图3.33中，Z0是电路的特征阻抗。在高频电路中，电路的特征阻抗在不同的频带中是不同的。这里，以50为例。该电路的优点是带宽宽、布线面积小、设计简单。缺点是功率衰减很大(6dB)。图3.33-形和Y-形电阻分压器，2)电感和电容设计的电感型和电感型集总参数分压器电路。根据结构可分为高通型和低通型，如图3.35a和图3.35b所示，设计公式如下。低通LC集总