第3章 高频谐振功率放大器的调谐特性.pdf

第3章高频谐振功率放大器本章要点：本章主要内容有高频谐振功率放大器的工作原理、外特性及理 论分析方法，典型谐振功率放大电路，丁类谐振功率放大器，功率合成技 术与宽带高频功率放大器，高频丙类功率放大器的OrCAD仿真，高频谐振 功率放大器的EWB仿真。3.1概述3.2 谐振功率放大器的工作原理3.3 谐振功率放大器的外特3.4 谐振功率放大电路3.5 丁类谐振功率放大器3.6 功率合成技术与宽带谐振功率放大器与低频功率放大电路一样，输出功率、效率和非线性失真 同样是高频功率放大电路的三个最主要的技术指标。不言而喻,安全工作仍然是首先必须考虑的问题。在通信系统中，高频功 率放大电路作为发射机的重要组成部分，用于对高频已调波信 号进行功率放大，然后经天线将其辐射到空间，所以要求输出功 率很大。输出功率大，从节省能量的角度考虑，效率更加显得重 要。因此，高频功放常采用效率较高的丙类工作状态，即晶体管 集电极电流导通时间小于输入信号半个周期的工作状态。同 时，为了滤除丙类工作时产生的众多高次谐波分量，采用L C谐 振回路作为选频网络,故称为丙类谐振功率放大电路。功率放大器的几种工作状态的特点见表3.lo表3.1不同工作状态时功率放大器的特点工作状态。半导通角。理想效率Q负载。应用甲类。6=180。50%。电阴口低频小乙类小6=90。78.5%推挽，回路口低频*图频甲乙类K905 18050%很 78.5%*推挽二低频0丙类0 78.5%P选频回路二高频丁类。开关状态。T)90%*选频回路.高频0显然，谐振功放属于窄带功放电路。对于工作频带要求 较宽，或要求经常迅速更换选频网络中心频率的情况，可采 用宽带功率放大电路。宽带功放工作在甲类状态，利用传输 线变压器等作为匹配网络，并且可以采用功率合成技术来增 大输出功率。本章着重讨论丙类谐振功放的工作原理、动态特性和 电路组成，对于甲类和乙类谐振功放的性能指标也作了适当 介绍，接着再讨论高频宽带功率放大电路，最后给出了集成 高频功率放大电路的一些实例。/3.2谐振功率放大器的工作原理3.2.1基本工作原理1.电路组成谐振功率放大器原理电路如图3.1所示，它由晶体管、皆振回路 和直流供电电路组成。凡为外接负载电阻（实际情况下，外接负载一般 为阻抗性的），、C为滤波匹配网络，它们与冠构成并联谐振回路，调谐在输入信号频率上，作为晶体管集电极负载。图3.1的谐振功率放大器原理电路与第2章所介绍的高 频小信号调谐放大器电路结构很相似，但有以下几点区别：（1）放大管是高频大功率晶体管，常采用平面工艺制造，集 电极直接和散热片连接，能承受高电压和大电流。（2）输入回路通常为调谐回路，既能实现调谐选频，又能使 信号源与放大管输入端匹配。（3）输出端的负载回路也为上戊周谐回路，既能实现调谐选频,又能实现放大管输入端匹配。（4）基极偏置电路为集体管发射结提供负偏压（/B为负 值），常使电路工作在丙类状态。2.电流与电压波形当基极输入高频信号 为：III01膏基极和发射极之间的电压=几cos砒日BE=UBB+Ui=UBB+口讪 COS（雨）其波形如图3.2(a)所示。当4E的瞬时值大于基极和发射极之间的导通电压6BZ 时,晶体管导通,产牛基彬脉冲由流/B,加图3.2(b)所示.(a)波形(b)基极电流波形(c)集电极电流波形(d)波形图3.2丙类谐振功率放大器中电流、电压波形基极导通后，晶体管便由截止区进入放大区，集电极将流过 电流，C,与基极电流相对应，式也是脉冲形状，必须强调指出,集电极电流式虽然是脉冲状，包含很多谐波，失真很大，如图 3.2(c)所示。将用傅里叶级数展开，则得L=c o+a1。网面）+1陶莽网2面）+1+&COS（ftt）式中，力集电极宜加分量,分别为臬电极电沉的基波、二次谐破高次谐波分量的包含有直流、基波和高次谐波成分的电流，c流经谐振回路时,只有基波电流才产生压降，因而谐振回路两端输出不失真的高频 信号电压。若回路谐振电阻为危，则%=TcmRl cos（碗）=-Ucm cos（初）UCE Ucc+%=U”cos（6UZ）。由图3.2(c)可见，丙类放大器在一个信号周期内，只有小于 半个信号周期的时间内有集电极电流流通，形成了余弦脉冲电流。丙类放大器的导通角应小于90o。余弦脉冲电流靠皆振回路的选频作用滤除直流及各次谐波，输出电压仍然是不失真的余弦波。3.集电极脉冲电流的分解前面提到，集电极余弦脉冲电流展开成傅里叶级数为其中，/co为直濯 求傅里叶级数的方声7c=1CO+）:L n=l辰幅。应用数学们的关系分别为1角的函数。它cos（G片）1,开co=-I%d（?Cmax。0 S）L71，一汗1广开=-JC COSIMO）=icmax%（e）1严4=-J Jc COS（由（而）=zCmax%（。）71 1 一式中，称为余弦脉冲电流分解系数，其大小是导通角e的函数0 3.2.2输出功率与效率放大器的输出功率A等于集电极电流基波分量在负载&上的平均功率，即“34)，集电极直流电源供给功率队等于集电极电流直流分量/co与 4C的乘积，即，尸D=/。0乙CC(3.5)集电极耗散功率Pc等于集电极直流电源供给功率Pd与基波输出功率Po之差，即“Pc=Pd(3.6)，放大器集电极效率77等于输出功率乙与直流电源供给功率巴之比，即77二显P。2 I 0业 c c(3.7)，将式(3.3)代入式(3.7),则得(3.8式中，4称为集电极电压利用系数；&(。)称为波形系数，其曲线如图3.3所示，e值越小,&(e)越大，放大器的效率77也就越高。因此，丙类谐振功率放大器提高效率77的途径即为 减小e角，使lc回路谐振在信号的基频上。在J=1的条件下，由式(3.8)可求得不同工作状态下放大器的效率分别为在J=1的条件下，由式(3.8)可求得不同工作状态下放大器的效率分别为,甲类工作状态：8=180。，刍(8)=1,77=50%。乙类工作状态：8=90。，gi(8)=L 57,77=78.5%.丙类工作状态：8=60。，g(e)=L 8,77=90%，例题3.13.3谐振功率放大器的外特性谐振功率放大器的输出功率、效率及集电极损耗等都 与集电极负载回路的谐振阻抗、输入信号的幅度、基极偏 置电压以及集电极电源电压的大小密切相关，其中集电极 负载阻抗的影响尤为重要。通过对这些特性的分析，可了 解谐振功率放大器的应用及正确的调试方法。若丙类谐振功放的输入是振幅为Uim的单频余弦信号，那么 输出单频余弦信号的振幅Ucm与Uim有什么关系?Ucm的大小受哪 些参数影响？式(3.2.1)、(322)和(3.2.6)分别给出了谐振功放输入回路、输出回路和晶体管转移特性的表达式。由这些公式可以看出，当晶体管确定以后，Ucm的大小与Vbb、V”、R和Ubm四个参数 有关。利用图325所示折线化转移特性和输出特性曲线，借助 以上三个表达式，我们来分析以上两个问题。在分析之前，让我 们先确定动态线的情况-在输出特性图中，表示输出电压Uce随集电极电流ic变化的 轨迹线称为动态线，又称为交流负载线。由于谐振功放的负载 是选频网络，故输出交流电压Uc必然是一个完整的余弦信号。由图325可以看到，截止区和饱和区内的动态线分别和输出特 性中截止线和临界饱和线重合(其中临界饱和线斜率为ger),而 放大区内的动态线是一条其延长线经过Q点的负斜率线段AB。放大区内动态线AB的表达式可用以下步骤求出。由式(3.2.1)和(3.2.2)可写出：图3.25折线化转移特性和输出特性分析代入式(326),经过整理可得到动态线表达式:ic=-gd(uCE-V0)其中由图(325)可以写出斜率值gd的另一种形式:gd=因为【elm1协办(0),Re=所以 Rd=(3.2.14)3.3.1 谐振功率放大器的工作状 态与负载特性1.谐振功率放大器的工作状态谐振功率放大器的工作状态，表现为输出回路的谐 振电阻Rp（即谐振功率放大器的负载电阻）对工作状 态的影响。3.3.1谐振功率放大器的工作状 态与负载特性(1)欠压工作状态当Rp较小时，由于/C的基波分量hm1也比较小，这时 心的波形为尖顶余弦脉冲，脉冲幅度比较大，如图3.4(a)所示。负载回路的输出电压 较小，晶体管的工作范围在放大区或截止区。放大器输出功效率低。种状态为谐振功放的欠压J/(2)临界工作状态如果增大即的数值，谐振功放工作在放大区 和饱和区之间的临界状态。此时/C的波形仍为尖 顶余弦脉冲，/C的脉冲幅度相对于欠压工作状态 略有减小，如图3.4(b)所示。但负载回路的输 出电压 却增大较多。放大器输出功率大，管 耗小，效率高。称这本理酶为谐振功放的临界工 作状态。(3)过压工作状态如果在临界状态下继续增大Rp的数值，由于晶 体管的动态范围延伸到了饱和区，集电极电流线，/C的脉冲幅度更小，而且出现凹除如图3.4(c)所示。放大器输出功率较大,管耗 小，效率高。称这种状态为谐振功放的过压工作 状态。图3.4融变化时的匕波形，谐振功率放大器的负载特性曲线当Ucc、/b、等维持不变时，变动回路的谐振电阻&会引起集电极脉冲电流7C的 变化，同时引起己与77等的变化各个电流、电压、功率与效率等随&而变化的曲 线就是负载特性曲性负载特性曲线是高频功率放大器的重要特性之一。，(1)Ginl、/co、/cm随 Rp 变化的曲线近似地说，欠压时Ami几乎不变，过压时2ml几乎不变。图3.5(a)图3.5负载特性曲线一(2)尸D、PO、PC、随Rp变化的曲线图3.5(b)三种工作状态的优缺点综合如下：临界状态的优点是输出功率最大，效率也较高，可以说是最佳工 作状态。这种工作状态主要用于发射机末级。过压状态的优点是，当负载阻抗变化时，输出电压比较平稳；在 弱过压时，效率可达最高，但输出功率有所下降。它常用于需要 维持输出电压比较平稳的场合，如发射机的中间放大级。集电极 调幅也工作于这种状态，将在第5章讨论。欠压状态的输出功率与效率都比较低，而且集电极耗散功率大，输出电压又不够稳定，因此一般较少采用。但在某些场合，例如 基极调幅，则需采用这种工作状态。应当说明，掌握负载特性。.对于实际调整谐振功率放大器的工作状态是很有用的。3.3.2谐振功率放大器的调制特 性在谐振功率放大器中，有时希望改变某一电极直流电压,来控制高频信号的幅值，从而实现幅值调制。1.集电极调制特性集电极调制是指UBB、Rp和L/bm保持一定时，放大器 的性能随某电极偏置电压UCC变化的特性。故集电极调幅 电路应工作在过压区。(b)图3.6集电极调制特性2.基极调制特性基极调制特性是指U珈、U”和保持一定时，放大器性能随基极偏置电压/B变化的特性高频功放只有工作在欠压区才能有效地实现无B对输入电压尻ml的调制作用，图3.7基极调制特性，(b)3.3.3谐振功率放大器的放大特高频功放的放大特性是指Ubb,Ucc和Rp保持一定时,放大器的输出功率、电流、电压、效率随输入信号电压 幅值Uim的变化关系。3.3.4谐振功率放大器的调谐特性在上面讨论高频功放的各种特性时，都认为其负载回 路是谐振状态的，因而呈现为一个纯电阻Rp。实际回路 在调谐过程中，其负载是一阻抗ZP,当改变回路的元件 数值，如改变回路的电容C时，功放的外部电流/co、hm1 和相应的Ucm1等随C变化的我称为调谐特性。利用这种 特性可以指示放大器是否调谐。3.3.4谐振功率放大器的调谐特 性CK为谐振点对应的电容值。由图可知，可以利用/co或hm1出现的最小值，或者利用Ucm1出现的最大 值来指示放大器的调谐。通常因/c。变化比较明显，又 只用直流电流表示，故采用/co指示调谐的较多。3.4谐振功率放大电路谐振功率放大器电路由功率管直流馈电电路和滤波匹 配网络组成。由于工作频率及使用场合不同，电路组成形 式也各不相同。现对常用电路组成形式进行讨论。直流馈电电路集电极馈电电路基极馈电电路输出回路和级间耦合回路级间耦合网络输出匹配网络L集电极馈电电路根据直流电源连接方式的不同，集电极馈电电路又分 为串联馈电和并联馈电两种。(a)串馈(b)并馈(1)串馈电路 指直流电源V”、负载回路(匹配网络)、功 率管三者首尾相接的一种直流馈电电路。G、%为低通 滤波电路，A点为高频地电位，既阻止电源V”中的高频 成分影响放大器的工作，又避免高频信号在L C负载回路 以外不必要的损耗。G、%的选取原则为 a)Lc 10 x回路阻抗1/(DC1 回路损耗电阻百衡量回路传输能力优劣的标准，通常以输出至负载的 有效功率与输入到回路的总交流功率之比来代表。这比值 叫做中介回路的传输效率九，简称中介回路效率。二 回路送至负载的功率3”一电子器件送至回路的总功率P。/九+/）八十r一广岛+（GM）2无负载时的回路谐振隘无负载时的回旭值。0=吆有负载时的回路谐振阻亢=J 有负载时的回蹦值。G+r).八十故有:=/=1_L=i_1=i_2l 八+/。+r Rp Qo从回路传输效率高的观点来看，应使Ql尽可能地小。但从要求回路滤波作用良好来考虑，则Ql值又应该足够大。从兼顾这两方面出发，Ql值一般不应小于10。在功率很大 的放大器中，Ql也有低到10以下的。M变化对工作状态的影响L _L 32M2总效率=币?P=Po P=PA天线功率Po集电极输出功率P二一电源供给功率nk 一中介回路效率 小一集电极效率3.4.3谐振功率放大器实例1.160MHz,13W谐振功率放大电路50Q放大器的功率增益达9dB,可向50Q负载供出13W功率，电路如图所示。基极采用自给偏置电路，”0在L b的直流电阻上产生很小的负向偏置电压，J c?、L构成T型匹配网络，调节q和C2,使本级的输入阻抗等于前级放大器所要 求的50。匹配电阻，以传输最大的功率。集电极采用并馈电路。n为高频扼流圈，为高频旁路电容。对于交流信号,放大器的输出端采用L型匹配网络，调节C3、C,可使50c的负载阻抗变换为功率放 大管所要求的最佳匹配阻抗Rd _ _2.50MHz,25W调谐功率放大电路放大器的功率增益为7dB,可给50Q负载输出25W功率,电路如图所示。c3 50Q3225Pp 25WC,L,mmVdaioo L2G 9 0400pV8 小13.5V-L32250PL本电路基极部分与上图相同，集电极的馈电是串馈形式，L 2不 是高频扼流圈，而是网络元件，L 2、L 3、C3、C4构成冗型匹配网络。3集成高频功率放大电路及应用在VHF和UHF频段，已经出现了一些集成高频功率放大器件。这些功放器件 体积小,可靠性高,外接元件少,输出功率一般在几瓦至十几瓦之间。日本三菱公司 的M57704系列、美国Mo to ro l a公司的MHW系列便是其中的代表产品。表3.4.1列出了Mo to ro l a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3.4.1给出了其中一种型号的外形图。表3.4.1 Motor ola公司MHW系列部分功放器件电特性 T=25 C型号电源电压 典型值/V输出功率7W最小功率增益/dB效率/%最大控制 电压/V频率范围/MHz内部放大器级数输入/输出阻抗/。MHW1057.55.037407.068 88350MHW607-17.57.038.5407.0136-150350MHW7046.03.034.8386.0440470450MHW707-17.57.038.5407.0403440450MHW803-17.52.033374.0820850450MHW804-17.54.036323.75800870550MHW9037.23.535.4403890915450MHW91412.5_1441.5353890915550MHW系列中有些型号是专为便携式射频应用而设计的，可用于移动通信系统 中的功率放大，也可用于工商业便携式射频仪器。使用前，需调整控制电压，使输出 功率达到规定值。在使用时，需在外电路中加入功率自动控制电路，使输出功率保 持恒定，同时也可保证集成电路安全工作，避免损坏。控制电压与效率、工作频率 也有一定的关系。三菱公司的M57704系列高频功放是一种厚膜混合集成电路，同样也包括多个 型号，频率范围为335 MHz-512 MHz（其中M57704H为450 MHz470 MHz）,可用 于频率调制移动通信系统。它的电特性参数为：当Vcc=12.5V,Pin=0.2 W,Zo=ZL=50QHt,输出功率P=13 W,功率增益G p=18.1dB,效率35%40%。图3.4.1 MHW1O5夕卜形图图3.4.2是M57704系列功放的等效电路图。由图可见，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。薄铜带 绝缘基板(相对介 电系数为。)1H图3.2.13微带线结构一般来说,在400MHz以下的甚高频(VHF)段，匹配网络通常采用第1章介 绍的集总参数LC元件组成，而在400MHz以上的超高频(UHF)段，则需使用分布 参数的微带线组成匹配网络，或使用微带线和LC元件混合组成。微带线又称微带传输线，是用介质材料把单根带状导体与接地金属板隔离 而构成，图3213给出了结构示意图。微带线的电性能,如特性阻抗、带内波长、损耗和功率容量等，与绝缘基 板的介电系数、基板厚度H和带状导体宽度W有关。实际使用时，微带线是采 用双面敷铜板,在上面作出各种图形，构成电感、电容等各种微带元件，从而组 成谐振电路、滤波器以及阻抗变换器等。图343是TW-42超短波电台中发信机高频功放部分电路图。此电路采用了日本 三菱公司的高频集成功放电路M57704H。TW-42电台是采用频率调制，工作频率为I457MHz458 MHz,发射功率为5W。由图3.4.3可见，输入等幅调频信号经M57704H 功率放大后，一路经微带线匹配滤波后，再经过V115送多节LC的tt型网络,然后由天线 发射出去；另一路经D113、D114检波,V104、V105直流放大后，送给V103调整管，然后作为控制电压从M57704H的第脚输入，调节第一级功放的集电极电源,可以稳定 整个集成功放的输出功率。第二三级功放的集电极电源是固定的13.8 V。一晶体管倍频器在发射系统中常采用晶体管丙类倍频器来获得所需要的发射信 号频率。采用倍频器的原因：(1)降低主振器的频率，对频率稳定指标是有利的。(2)为了提高发射信号频率的稳定程度，主振器常采用石英晶体 振荡器，但限于工艺，石英谐振器的频率目前只能达到几十MHz,为了 获得频率更高的信号，主振后需要倍频。(3)加大调频发射机信号的频移或相移，即加深调制度。(4)倍频器的输入信号与输出信号的频率是不相同的，因而可削 弱前后级寄生耦合，对发射机的稳定工作是有利的。(5)展宽通频带倍频器常有三种形式：1、乘法器实现倍频；2、丙类放大器倍频，3、参量倍频器，是 利用晶体管的结电容随电压变化的非线性来实现倍频。一丙类倍频器原理框图某系统发射信号频率为49MHz,该频率由16.333MHz三 倍频而来。16.333MHz振荡器输出接激励级，若将输出负载 回路调谐在三次谐波频率上即可得到49MHz的发射频率。其 如图所示。晶体管丙类倍频电路与工作原理丙类倍频器的基本电路如图所示。Rb_自偏电阻，也可用高频扼流圈代之，C2为旁路电容，L、C是调谐回路，调谐在输入信号的某 次谐波频率上。丙类倍频器工作在丙类，因为丙类放大器的集电极电流ic 是一脉冲波形，电流含有输入信号的基频和高次谐频。输出回 路调谐于某次谐波即可实现某次谐波的放大。导通角的大小又该如何选取呢？这要根据倍频器的倍频次 数来决定，由余弦脉冲分解系数可见，二次谐波系数的最大值 对应在导通角 次=60附近，三次谐波系数的最大值所对应的 导通角约为40,谐波次数更高时，导通角更小。倍频器应该工作在欠压、临界还是过压状态呢？一般工作在欠压和临界状态。”年负载回路的滤波作用丙类放大管集电极电流ic的基波分量的振幅最大，二阶谐波次之，谐波次数愈高，其幅值也愈小。作为基 波放大时，负载回路要滤除高次谐波分量还是比较容易 的。但是，作为倍频器，要滤除的是幅值较大的低次谐波分量，这会有不少困难。怎样提高输出回路的滤波作用呢?(1)提高回路的品质因数Q。，设倍频次数为n,则输 出调谐回路的Q约需Qo10n,若n=3,则Qo95。(2)在输出回路旁并接吸收回路吸收回路可调谐在信 号基频上或其他特别要滤除的频率上，如图所示。(3)采用选择性好的带通滤波器作负载回路。(4)用推挽倍频电路。T负载回路中的吸收电路3.5 丁类谐振功率放大器丙类放大器可以通过减小电流导通角来提高放大器的效率，但是为 了让输出符合要求又不使输入激励电压太大，就不能太小，因而放大器 效率的提高就受到了限制。晶体管放大器集电极效率为c Pd R+尸。式中，PC为晶体管集电极耗散功率。上式说明，要提高放大器效率,应尽可能减小集电极耗散功率PC,而1.6W见，要减小pc,一种方法是减小pc积分区间，即减小电流的导通角国，这就是丙类放大器所采用的方法；另一种方法是减小/C与uCE的乘积，该方法是各种高效率谐振功率放大器的设计基础。使放大器工作在开 关状态，当晶体管导通/C不等于零时，其管压降uCE为最小，接近于零；而当管子截止/C=0时，管压降uCE不为零。可见，理想情况下，/C、uCE 乘积可接近于零，故可达100%,这类放大器称为开关型丁类放大器。丁类功率放大器有电压开关型和电流开关型两种电路，下面仅介绍电压 开关型谐振功率放大器的工作原理。图3.18(a)所示为电压开关型丁类功率放大器原理电路。图中输入信号电 压ui是角频率为的余弦波，且幅值足够大。通过变压器产生两个极性相反的 推动电压和ub2,分别加到两个特性相同的同类型放大管VT1和VT2的输入端,使得两管在一个信号周期内轮流地饱和导通和截止。L、C和外接负载RL组成 串联谐振回路。设VT1和VT2管的饱和压降为Uc es,则当VT1管饱和导通时，A点对地电压为(a)原理电路Q(b)电压、电流波形图3.18 丁类放大器原理图及电压、电流波形3.6功率合成技术与宽带谐振功率放大器上述谐振功率放大器的主要优点是效率高，但当需要改变工 作频率时，必须改变其滤波匹配网络的谐振频率，这往往是十分困 难的多频道通信系统和相对宽频带的高频设备中，谐振功率放 大器就不适用了，这时必须采用无需调节工作频率的宽带高频功率 放大器。由于无选频滤波性能，宽带功率放大器只能工作在非线性 失真较小的甲类状态（或乙类推挽），其效率低，输出功率小，因 此常采用功率合成技术，实现多个功率放大器的联合工作，获得大 功率的输出。一个理想功率合成电路应有三个功能，无损失地合成各功率 放大器的输出功率；各功率放大器之间要有良好的隔离作用，即其 中一个功率放大器损坏时，不影响其他功率放大器正常工作；每个 功率放大器具有宽频带特性。功率合成电路往往要用传输线变压器，首先介绍传输线变压 器。3.6.1传输线变压器1.传输线变压器的工作原理IRL传输线变压器是基于传输线原理和变压器 原理二者相结合而产生的一种耦合元件。它是 将传输线(双绞线、带状线或同轴线等)绕在高 导磁率的高频磁芯上构成的，以传输线方式与 变压器方式同时进行能量传输。做)在此无耗、匹配情况下，若传输线长度I与3I 感(a)+必。T Rs+与C3(b)2+U2rl(c)(a)结构示意图(b)传输线电路 普通变压器电路+，图3.19 1:1传输线变压器结构和工作原理”2了7的坳*工作波长入相比足够小(l Amin/8)时，可以认为传输线上任何位置处的电压或电流的振幅均相等，且输入阻抗Zi=Zc=RL,故为1：1变压器。可见，此时负载上得到的功率与输入功率相等且不因频率的变化而变化。在以变压器方式工作时，信号从、端输入，、端输出。由于输入、输出 线圈长度相同，从图(c)可见，这是一个1:1的反相变压器2.传输线变压器的功能传输线变压器除了可以实现1：1倒相作用外，还可实现1:1 平衡和不平衡电路的转换、阻抗变换等功能。(1)平衡和不平衡电路的转换传输线变压器用以实现1：1平衡和不平衡电路转换如图3.21所 示。图3.21(a)所示为不平衡输入信号源，通过传输线变压器得 到两个大小相等、对通反相的电山输出;03.21(b)-木为对通 平衡的双端输入信号，通过传输线变压器转换为对地不平衡的电 庄输出。T1+AL u I(a)不平衡T衡电路转换(b)平衡一不平衡电路转换图3.21平衡和不平衡电路的转换(2)阻抗变换传输线变压器可以构成阻抗变压器，最常用的是4：1和1：4 阻抗变换器。将传输线变压器按图322接线，就可以实现4：1的阻抗变换。若设负载RL上的电压为u,由图可见，传输线终端2、4和始端1、3的电压也均为U,则1端对地输入电压等于2u。如果信号源提供 的电流为i,则流过传输线变压器上、下两个线圈的电流也为，有 图3.22可知通过负载RL的电流为2/,因此可得而ISSS题的输入阻抗为“2u u 二二二4不二4及(3.11).可见，输入阻抗是负裁阻抗的4倍，从而实现了 4：1阻抗比的变换。为了实现阻抗四 配要求懒线的特性阻抗为，Z-=2-=2R,(3.12).0 L如将传输线变压器按图3.23接线，则可实现1：4阻抗变换。由图可知信号源呈现的输入阻抗为可见，输入阻抗是负载阻抗的4倍，从而实现了4：为了实现阻抗匹配，要求传输线的特性阻抗为1阻抗比的变换。Zc=-=2=2Rl I 21_ 1 2 _ Rl%o图3.22 4:1传输线变压器图3.23 1:4传输线变压器如将传输线变压器按图3.23接线，则可实现1：4阻抗变换。由图可知,1 2u _ Rl信号源呈现的输入阻抗为O+R o-4Rl=I-2Rd=2 尺，式中,Zc=R为传输线变压器SI的特性阻抗。为了分析方便，可将图3.26(a)所示传输线变压器改画成自耦变压器形式,如图3.26(b)所示。由图可见，&、4变压器的两个绕组构成电桥电路，当 电桥平衡时，C端与D端是互相隔离的，既C端加电压，D端无输出，而A、B 端获得等值同相功率。(a)传输线变压器形式(b)自耦变压器形式图3.26同相功率分配网络，如果将信号功率由D端引入，A、B仍为负载端，A、B端将等分输入信号功率，但此时A端和B端的输出电压是反相的，故称为反相功率分 配器。必须指出，同相和反相功率分配器中，当时，功率放大Ra W0器的输出功率就不能均等地分配到&、&上，当Hd=2尺时，B端输出功率 不会随段变化而改变；同样，A端输出功率也不会随人变化而变化3.6.3功率合成举例将以上讨论的混合网络与适当的放大电路相组合，就可以构成功率合成电路。图3.27所示为反相功率合成器应用电路，其带宽为3075MHz,输出功率为75Wo图中Tr为1：1传输线变压器，用来将不平衡的输入变为平衡的输入加到 几的D端，T“构成输入反相功率分配网络，C端为功率分配网络的平衡端，所以 A、B两端可得到相等的激励功率，但电压相位相反。二3、4为4：1阻抗变换器,它们的作用是把晶体管的输入阻抗（约3Q）变换成功率分配网络A、B端所要求 的阻抗（12.5Q）。C+24V1 OOOpF 千图3.27反相功率合成电路一由于晶体管VT1、VT2输入的激励电压反相，经放大后，他们的输出电压也反相的,所以输出端采用了Tr5构成反相功率合成网络，可将VT1、VT2管输出的反相功率由D端 合成后经Tr6输出。C端为平衡端。根据阻抗匹配的要求，对于反相功率合成网络Tr5,当D端阻抗Rd=25。时,则要求A、B端阻抗Ra=Rb=Rd/2=12.5Q,而C端平衡电阻Rc=Rd/46Q。对于反相功率分配网络Tr2,当D端阻抗二25Q时,则要求A、B端阻抗12.5Q,C端平衡电阻Ra=Rb=Rd/2=2=&/4 川本章小结1.谐振功率放大器主要用来放大高频大信号，其目的 是为了获得高功率和高效率输出的有用信号。2.谐振功率放大器的特点是晶体管基极为负偏压，即 工作在丙类工作状态，其集电极电流为余弦脉冲状，由于负 载为L C回路，则输出电压为完整正弦波。3.丙类谐振功率放大器工作在非线性区，采用折线近 似法进行分析，根据晶体管是否工作在饱和状态而分为欠压、临界和过压三种工作状态。当负载电阻Rp变化时，其工作状 态发生变化，由此引起放大器输出电压、功率、效率的变化 特性称为负载特性。各极电压的变化也会引起工作状态的变 化。其中临界工作时输出功率最大，效率也较高，欠压、过 压工作状态主要用于调幅电路。过压工作状态也用于中间级4.功率放大器的主要指标是功率和效率，丙类谐振功 放利用折线化后的转换特性和输出特性进行分析计算。为 了提高效率，常采用减小管子导通角和保证负载回路谐振。5.一个完整的功率放大器由功放管、馈电电路和阻抗 匹配电路等组成。阻抗匹配电路是保证功放管集电极调谐、负载阻抗和输入阻抗符合要求的电路。在给定功放管后，放大器的设计主要就是馈电电路和阻抗匹配电路的设计。6.功放管在高频工作时很多效应都会表现出来，因此,理论分析与实际参数有一定误差，分布电阻、电感和电容 等效应不可忽略，功放管的实际工作状态要由实验来调整。