高頻功率放大器與功率合成技術(shù)電子信息科學(xué)與電氣信息類基礎(chǔ)課程高頻電子線路（第4版）第四章01概述內(nèi)容提要高頻功率放大器是各種無線電發(fā)射機(jī)的主要組成部分,在高頻電子線路中占有重要地位由于其激勵(lì)信號(hào)大,它的分析方法、指標(biāo)要求、工作狀態(tài)等方面都不同于高頻小信號(hào)選頻放大器。本章首先介紹諧振功率放大器的組成,工作原理及分析方法,討論乙類、丙類、丁類功率放大器;然后介紹寬頻帶功率放大器;介紹功率合成器及集成功率放大器的原理和應(yīng)用。概述我們已經(jīng)知道,在低頻放大電路中為了獲得足夠大的低頻輸出功率，必須采用低頻功率放大器。同樣,在高頻范圍，為了獲得足夠大的高頻輸出功率,也必須采用高頻功率放大器。例如，緒論中所示發(fā)射機(jī)方框圖中的高頻部分，由于在發(fā)射機(jī)里的振蕩器所產(chǎn)生的高頻振蕩功率很小，因此在它后面要經(jīng)過一系列的放大一一緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí),獲得足夠的高頻功率后,才能債送到天線上輻射出去。這里所提到的放大級(jí)都屬于高頻功率放大器的范疇。由此可見，高頻功率放大器是發(fā)送設(shè)備的重要組成部分。概述02諧振功率放大器分析在工程上，對(duì)于工作頻率不是很高的諧振功率放大器的分析與計(jì)算，通常采用準(zhǔn)線性的折線分析法。準(zhǔn)線性放大是指僅考慮集電極輸出電流中的基波分量在負(fù)載兩端產(chǎn)生輸出電壓的放大作用所謂折線法，是指用幾條直線來代替晶體管的實(shí)際特性曲線，然后用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)解析式寫出它們的表示式。將器件的參數(shù)代人表達(dá)式中,就可進(jìn)行電路的計(jì)算。折線法在分析諧振功率放大器工作狀態(tài)時(shí),物理概念清楚,方法簡(jiǎn)便，但其準(zhǔn)確度比較差,不過作為工程近似估算則可滿足要求。準(zhǔn)線性折線分析法的條件如下。諧振功率放大器的工作原理諧振功率放大器的工作原理可以按照晶體管在信號(hào)激勵(lì)下一周期是否進(jìn)入晶體管特性曲線的飽和區(qū)來劃分諧振功率放大器的工作狀態(tài)。分析諧振功率放大器的工作狀態(tài)的性能。諧振功率放大器的工作狀態(tài)分析從式中可以看出，諧振功率放大器的動(dòng)態(tài)電阻R.與導(dǎo)通角有關(guān),也與諧振電阻R有關(guān)。諧振功率放大器的工作狀態(tài)分析不同的Rp有不同的動(dòng)態(tài)線的斜率，因此,放大器的工作狀態(tài)將隨著Rp的不同而變化，圖4.2.7做出了不同Rp時(shí)的三條負(fù)載線（對(duì)應(yīng)三種工作狀態(tài)）及相應(yīng)的集電極脈沖波形振功率放大器的三種工作狀態(tài):欠壓狀態(tài)、臨界狀態(tài)、過壓狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)線分別為A1Q.A2Q,A3Q。諧振功率放大器的工作狀態(tài)分析03諧振功率放大器電路組成欲使高頻功率放大器正常工作,各電極必須有相應(yīng)的饋電電源直流電源加到各電極上的線路叫做饋電線路。無論是集電極電路，還是基極電路它們的饋電方式都可分為串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電兩種基本形式。無論是哪一種饋電方式,都是按照一定的原則組成的，這些原則取決于放大器的工作原理。直流饋電線路對(duì)于集電極電路,其電流是脈沖狀,包含各種頻率成分,集電極饋電線路應(yīng)滿足下列要求：1.直流能量應(yīng)有效地加到品體管的集電極和發(fā)射極之間，而不應(yīng)再有其他損耗直流能量的元件。集電極饋電線路直流饋電線路2.高頻基波分量應(yīng)有效地流過負(fù)載回路，以產(chǎn)生所需的高頻輸出功率除了回路以外應(yīng)盡可能小地?fù)p耗基波分量的能量。3.除倍頻器外，應(yīng)有效地消除高頻諧波輸送到負(fù)載上的諧波功率應(yīng)盡可能小4.直流電源及饋電元件的接人應(yīng)盡可能減小分布參數(shù)的影響。集電極饋電線路直流饋電線路圖4.3.2是基極饋電線路的兩種形式。直流饋電線路LC匹配網(wǎng)絡(luò)圖4.3.4是幾種常用的LC匹配網(wǎng)絡(luò)。它們是由兩種不同性質(zhì)的電抗元件構(gòu)成的L形T形和π形的雙端口網(wǎng)絡(luò)。由于LC元件消耗功率很小,可以高效地傳輸功率;同時(shí)，由于它們對(duì)頻率的選擇作用，決定了這種電路的窄帶性質(zhì)。下面說明它們的阻抗變換作用。輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò)LC匹配網(wǎng)絡(luò)輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò)圖4.3.7是一短波發(fā)射機(jī)的輸出放大器。它采用感合回路做輸出回路，多波段工作。由以上分析可知，改變互感M,可以完成阻抗匹配功能。輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò)圖4.3.11是工作頻率為50MHz的諧振功率放大電路,它向500外接負(fù)提供25W的功率功率增量達(dá)到7dB這個(gè)放大電路的基極饋電電路和輸入匹配網(wǎng)絡(luò)與圖4.3.10所示的電路相同。諧振功率放大器的實(shí)用電路實(shí)例諧振功率放大器的實(shí)用電路實(shí)例04丁類(D類)功率放大器

圖4.4.1是電流開關(guān)型D類放大器的原理線路和波形圖，路通過高頻變器Tr1使品體管VT1，VT2獲得反相的方波激勵(lì)電壓。電流開關(guān)型D類放大器圖4.4.2為一互補(bǔ)電壓開關(guān)型D類功放的線路及電流電壓波形。兩個(gè)同型(NPN)管串聯(lián)集電極加有恒定的直流電壓Voc。電壓開關(guān)型D類放大器05寬帶高頻功率放大電路

傳送線變壓器寬帶高頻功率放大電路采用非調(diào)諧寬帶網(wǎng)絡(luò)作為匹配網(wǎng)絡(luò)，能在很寬的頻率范圍內(nèi)獲得線性放大。常用的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)是傳輸變壓器,它可以使功放的最高頻率擴(kuò)展到幾百兆赫茲甚至上千兆赫茲，并能同時(shí)覆蓋幾個(gè)倍頻程的頻帶寬度。由于無選頻濾波性能,故寬帶高頻功放只能工作在非線性失真較小的甲類狀態(tài),效率較低。所以，寬帶高頻功放是以犧性效率來換取工作頻帶的加寬的。06功率合成器

在高頻功率放大器中，當(dāng)需要的輸出功率超過單個(gè)電子器件所能輸出的功率時(shí),可以將幾個(gè)電子器件的輸出功率疊加起來，以獲得足夠大的輸出功率。這就是功率合成技術(shù)。討論功率合成器原理之前，為了對(duì)功率合成器先有一個(gè)整體概念,我們舉一個(gè)實(shí)際方框圖示例如圖4.6.1所示。這是一個(gè)輸出功率為35W的功率合成器方框圖示例圖中每一個(gè)三角形代表一級(jí)功率放大器,每個(gè)菱形則代表功率分配或合成網(wǎng)絡(luò)。功率合成與分配網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足的條件利用1:4傳輸線變壓器組成的功率合成或分配網(wǎng)絡(luò)的基本電路如圖4.6.2(a)所示為了分析方便，也可以將它改畫成如圖4.6.2(b)所示的等效電路在分析時(shí)，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：1.根據(jù)傳輸線的原理，它的兩個(gè)線中對(duì)應(yīng)點(diǎn)所通過的電流必定是大小相等、方向相反的;2.在滿足匹配條件，并略去傳輸線上的損耗時(shí),變壓器輸人端與輸出端電壓的振幅也應(yīng)該是相等的。功率合成（或分配）網(wǎng)絡(luò)原理功率合成（或分配）網(wǎng)絡(luò)原理功率合成電路舉例07射頻模塊放大器和集成功率放大器簡(jiǎn)介

射頻模塊放大器預(yù)先封裝好的射頻模塊放大器的最基本形式是一個(gè)采用混合電路技術(shù)的薄膜混合電路。混合電路是把固定元件和無源元件(分布元件或者集成元件)外接在一塊介質(zhì)襯底上，并將有源元件和無源元件以及互聯(lián)做成一個(gè)整體，有源元件是指場(chǎng)效應(yīng)管及各種晶體管。無源元件是指電感器電容器、電阻器等集中參數(shù)元件以及各種分布參數(shù)元件。這些集中參數(shù)元件和分布參數(shù)元件都是用薄膜電路和厚膜電路技術(shù)制造的。射頻模塊放大器采用混合電路技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是電路性能好、可靠性高、尺寸小、重量輕、散熱好、損耗低、成本價(jià)格便宜。這種電路技術(shù)的重點(diǎn)越來越多地放在制造工作頻率更高的模擬集成電路上。本節(jié)介紹的這種射頻放大器模塊在寬頻帶范圍內(nèi)具有增益，并封裝在帶有四個(gè)引腳的晶體管封裝內(nèi)(還有微型封裝和連接器封裝等其他封裝形式)。在晶體管封裝中，兩個(gè)引腳分別是輸人端和輸出端，另外兩個(gè)引腳是地端和直流電源端。在VHF和UHF頻段，已經(jīng)出現(xiàn)了一些集成高頻功率放大器件這些功率放大器件體積小，可靠性高,輸出功率一般在幾瓦至幾十瓦之間。表4.7.1列出了Motorola公司集成高頻放大器MHW系列部分型號(hào)的電特性參數(shù)。圖4.7.2給出了MHW105外形圖。圖4.7.3是M57704系列功放的等效電路圖。由圖可知,它包括三級(jí)放大電路，匹配網(wǎng)絡(luò)由微帶線和LC元件混合組成。集成高頻功率放大電路及應(yīng)用簡(jiǎn)介集成高頻功率放大電路及應(yīng)用簡(jiǎn)介集成高頻功率放大電路及應(yīng)用簡(jiǎn)介08高頻寬帶放大器設(shè)計(jì)舉例