高频电子技术第5章-高频功率放大器课件.ppt

1、第五章 高频功率放大器第五章 高频功率放大器 要求 了解功率放大器分类，掌握谐振功率放大器的基本原理，会进行动态分析；正确理解和分析外部特性对其工作状态的影响；了解直流馈电电路和滤波电路的组成；了解宽带传输线变压器的结构特点及其应用。第五章 高频功率放大器 知识点 丙类谐振功率放大器 动态分析、外部特性 直流馈电和滤波电路 宽带传输线变压器 倍频器第五章 高频功率放大器 重点和难点 丙类谐振功率放大器动态分析与外部特性第五章 高频功率放大器 5.1 功率放大电路的作用与分类 一般情况下，高频振荡信号的功率很小，不能满足天线对发射功率的要求，需要对高频信号进行功率放大 高频功率放大器研究的主要问

2、题是如何获得高效率、大功率输出 根据采用的负载不同，高频功率放大器可分为窄带功率放大器和宽带功率放大器。按功率放大管导通角的不同，高频功率放大器可分为甲类、乙类、丙类、丁类等 第五章 高频功率放大器 5.2 丙类谐振功放的结构与基本原理 5.2.1 谐振功率放大器的特点（1）放大管是高频大功率晶体管，能承受高电压和大电流。（2）输出端负载回路为调谐回路，既能完成调谐选频功能，又能实现放大器输出端负载的匹配。（3）基极偏置电路为晶体管发射结提供负偏压（-），使电路工作在丙类状态。BBU第五章 高频功率放大器（4）输入余弦波时，经过放大，集电极输出电压是余弦脉冲波形。5.2.2 丙类谐振功放的工作

3、原理 设输入信号为余弦电压 (5-1)则管子基极、发射极间 电压为 (5-2)tUuimicosBEuBEBBimuUU Cos t 5.2.2 丙类谐振功放的工作原理5.2.2 丙类谐振功放的工作原理 图5-1所示电路中，当加入信号 以后，只有当 时，三极管才导通，基极和集电极才有电流通过。图5-2（a）、(b)所示为晶体管集电极电流和集电极电压波形图。0 180 晶体管工作状态可分为 iuBEuonU5.2.2 丙类谐振功放的工作原理 180，为甲类工作状态 90，为乙类工作状态 BEonuU0()cBEoniG uU5.2.2 丙类谐振功放的工作原理 (5-14)(5-15)由式(5-1

4、4)和式(5-15)可得 （5-16）将式（5-16）代入（5-13）（5-17）BEBBimuUU Cos tcosCECCcmuUUtC CC EBEBBbmcmUuuUUUCCCEcBBbmoncmUuiG UUUU5.2.2 丙类谐振功放的工作原理 在输出特性图中，表示输出电压随集电极电流变化的轨迹线称为动态线，又称为谐振功率放大器的交流负载线。如图5-7所示。直线AB即为动态线。动态线作法是：在轴上取点 ，即令 ，得 ，再令 ，得为图中的 点。最后将 点和 点相连，并向上延长与 的输出特性曲线相交于 点，则直线 便是谐振功率放大器的交流负载线。CEu0ci B BonC EC Ccm

5、bmUUuUUUCECCuUQQBmaxBEBEBBbmuUUUAAB5.2.2 丙类谐振功放的工作原理图5-7 谐振功率放大器的动态线及集电极电流波形图5.2.2 丙类谐振功放的工作原理 注意：在丙类工作状态时，本身为负值，Q点对应的 为负值，实际上是不存在的电流，仅是用来确定工作点Q的位置。1.负载特性负载特性 若 、三个参数固定不变，放大器的交流负载线、以及 、等性能指标随负载电阻 变化的特性称为放大器的负载特性。BBUciciBBUCCUbmUcmU0pPR5.2.2 丙类谐振功放的工作原理图5-8 三种不同斜率情况下的工作状态及波形分析、5.2.2 丙类谐振功放的工作原理 在欠压状态

6、时，基本电压幅度较小，电路的功放作用未能充分发挥；而在过压状态时，电流脉冲出现凹陷，集电极基波分量下降，并且谐波分量明显加大，这对高频功放是不利的。通常丙类谐振功率放大器选择在临界状态工作，以获得较大输出功率和较高效率。5.2.2 丙类谐振功放的工作原理 2.放大特性放大特性 若 、三个参数固定不变，激励电压 变化，此时输出电压 以及 、等性能指标随之变化的特性称为放大器的放大特性。BBUCCUPRcmU0p5.2.2 丙类谐振功放的工作原理图5-10 放大特性分析5.2.2 丙类谐振功放的工作原理 3.调制特性调制特性 （1）基极调制特性。图5-11 基极调制特性5.2.2 丙类谐振功放的工

7、作原理（2）集电极调制特性。图5-12 集电极调制特性5.2.2 丙类谐振功放的工作原理 4.小结小结(1)如果对等幅信号进行功率放大，应使功放工作在临界状态，此时输出功率最大，效率也接近最高。如对第三章介绍的调频信号进行功率放大。（2）如果对非等幅信号进行功率放大，应使功放工作在欠压状态，但线性较差。若采用甲类或乙类工作，则线性较好。如对第三章介绍的调幅信号进行功率放大。（3）丙类谐振功放在进行功率放大的同时，也可进行振幅调制。如果调制信号加在基极偏压上，功放应工作在欠压状态；如果调制信号加在集电极电压上，功放应工作在过压状态。5.3 谐振功率放大电路 5.3.1 直流馈电电路 1.馈电原则

8、馈电原则 由于集电极电流为尖顶脉冲波，包括直流分量、基频及各次谐波分量，所以谐振功放的集电极馈电电路，应保证直流分量直接加至晶体管c、e两端，以便直流电源提高的直流功率前部交给晶体管；其次应使基频分量流过谐振回路产生输出功率，以便把变换后的交流功率传送给回路负载；同时还应有效地滤除高次谐波分量。5.3.1 直流馈电电路 谐振功放的基极馈电电路组成原则与集电极馈电电路相访 第一，基极的偏置电源直接加到晶体管b、e两端 第二，基极电流中的基波分量只流过输入端激励信号源，以便使输入信号控制晶体管的工作，实现放大 5.3.1 直流馈电电路 2.集电极馈电电路集电极馈电电路5.3.1 直流馈电电路 所谓

9、串馈或并馈，只是电路结构形式不同，对于电压而言，无论是串馈还是并馈，直流偏压与交流电压总是串联迭加的 3.基极馈电电路基极馈电电路 基极直流馈电也分串馈和并馈两种方式 5.3.1 直流馈电电路图5-14 基极馈电电路5.3.1 直流馈电电路 图5-15给出了几种基极馈电电路，均为自给偏压式。图5-15 自给偏压式基极馈电电路 5.3.2 输出匹配网络图5-16高频功率放大器的匹配网络示意图5.3.2 输出匹配网络 这一网络需要完成的主要任务是 （1）实现阻抗变换，将实际的负载阻抗转换为放大电路所要求最佳阻抗，以保证放大器传输到负载的功率最大，即起到匹配网络的作用（2）抑制工作频率之外的不需要的

10、各次谐波分量，选出所需要的基波成分。即具有良好的滤波作用 （3）完成高效率的信号传输，即要求匹配网络本身的损耗尽可能地小5.3.2 输出匹配网络 常用的输出匹配网络 1.LC并联谐振回路 图5-17并联谐振回路型输出匹配网络5.3.2 输出匹配网络 2.滤波器型匹配网络（1）串、并联阻抗变换 （5-18）串、并联阻抗变换公式 （5-19）111PPSSRjXRjX22(1)1(1)PSePSeRRQXXQ5.3.2 输出匹配网络 式中 （5-20）（2）L型匹配网络SPeSPXRQRX图5-19 型网络的阻抗变换5.3.2 输出匹配网络 令 ,即电抗部分抵消，回路两端呈现纯电阻 ，其值由式（5

11、-19）和式（5-20）可求得为 （5-21）（5-22）图5-19中的 相当于式（5-19）和式（5-20）中的 0PPXX0R20(1)PeRRQ0000()SeLLLLPeLXQ RRRRRRXRQRRLRSR5.3.2 输出匹配网络 需要说明，由于 为正值，因此 型匹配网络只能适用于 的匹配情况（3）T型和型滤波匹配网络eQL0RLR5.3.2 输出匹配网络 对于型滤波匹配网络，可以将其分成两个 型网络，如图5-21所示。然后利用 型网络计算公式，经整理可得到计算公式 LL5.3.2 输出匹配网络 图5-21中的第二个 型网络与图5-19（a）完全相同，可以直接得计算公式 （5-23）

12、（5-24）L22(1)PLeRRQ22()SLPLLPPPLXRRRRXRRR5.3.2 输出匹配网络 图5-21（a）中的第一个 型网络与图5-19（a）是相反的，可将 视为 ,利用公式得 （5-25）（5-26）L0RLR201(1)PeRRQ010100()PPPSPRXRRRXR RR5.3.2 输出匹配网络 型滤波匹配网络如图5-22（a）所示，分析过程也是将 型网络分成两个基本的 型网络 L图5-22 型网络的阻抗变换 5.3.3 谐振功率放大电路识读 图5-23 160MHz谐振功率放大器电路5.3.3 谐振功率放大电路识读 如图5-24所示是一个工作频率为175MHz场效应管

13、谐振功率放大器电路。它可向50的外接负载提供10W功率，效率达60以上。栅极采用并馈，漏极采用串馈。5.3.3 谐振功率放大电路识读 图5-24 175MHz谐振功率放大器电路 5.4 宽带高频功率放大器 除了谐振回路以外，常用于高频功放电路负载还有普通变压器和传输线变压器两类 这种以非谐振网络构成的放大器能够在很宽的波段内工作且不需调谐，称之为宽带高频功率放大器 5.4.1 传输线变压器 1.传输线变压器的结构及工作原理图5-25 1:1传输线变压器的结构示意图及等效电路 5.4.1 传输线变压器 2.传输线变压器的应用传输线变压器的应用（1）极性变换（2）平衡不平衡变换（3）阻抗变换5.4

14、.1 传输线变压器图5-26 平衡不平衡变换电路 5.4.1 传输线变压器图5-27 4:1和1:4传输线变压器变换电路 5.4.1 传输线变压器 下面简要分析4:1阻抗变换原理 信号源两端的输入阻抗以及传输线变压器的特性阻抗分别为 （5-27）（5-28）输入阻抗为负载的四倍，即实现了4:1阻抗变换 2442iLUURRII222CLUUZRII5.4.1 传输线变压器 图5-28给出了一个两级宽带高频功率放大器电路。图5-28 两级宽带高频功率放大器电路 5.4.2 功率合成电路 目前，由于技术上的原因，单个高频晶体管的输出功率一般只限于几十瓦至几百瓦。当需要更大的输出功率时，广泛应用的方

15、法就是采用功率合成电路。所谓功率合成电路，就是利用多个高频晶体管同时对输入信号进行放大，然后将各功放输出的功率在一个公共负载上相加。如图5-29所示为常用的一种功率合成电路组成方框图。5.4.1 传输线变压器图5-29 功率合成电路原理方框图 5.4.1 传输线变压器 图5-30为功率合成电路基本单元的一种线路，称为同相合成器。图中 是功率分配网络，它的作用是将信号源输入的功率平均分配，供给A、B端同相激励功率。正常工作时，两管输出电压相同，且等于负载电压 1rT5.4.1 传输线变压器图5-30 同相功率合成电路（a）原理图 （b）等效电路5.4.1 传输线变压器 当两个晶体管因各种因素造成

16、输出电压变化而不平衡时，相当于图5-30（b）等效电路中 和 发生变化。BUBR5.4.1 传输线变压器 图5-31所示为反向功率合成电路原理图 图5-31 反向功率合成电路 5.5 倍频器 5.5.1 倍频原理及用途 原理有以下几种 （1）利用晶体管等非线性器件产生输入信号频率的各次谐波分量，然后用调谐于次谐波的带通滤波器取出倍频信号 （2）将输入信号同时输入模拟乘法器的两个输入端进行自身线性相乘，则乘法器输出交流分量就是输入的二倍频信号 （3）利用锁相倍频方式进行倍频，在第8章8.5节将具体进行讨论 5.5.1 倍频原理及用途 应用例 （1）对振荡器输出进行倍频得到更高的所需振荡频率。（2

17、）在调频发射系统中使用倍频电路和混频电路可以扩展调频信号的最大线性频偏。（3采用几个不同的倍频电路对振荡器输出进行倍频，可以得到几个不同频率的输出信号。（4）在频率合成器中，倍频电路是不可缺少的组成部分。在第8章8.5节将会谈到这点。5.5.2 晶体管倍频器 晶体管倍频器的电路结构与晶体管丙类谐振功率放大器基本相同 区别在于后者谐振回路的中心频率与输入信号中心频率相同 而前者谐振回路的中心频率调谐为输入信号频率或中心频率的倍，为正整数 5.5.2 晶体管倍频器 特点：（1）倍频数一般不超过34，且应根据倍频数选择最佳的导通角。若集电极最大瞬时电流 确定 （）（5-29）集电极电流中笫次谐波分量

18、 （）尖顶余弦脉冲的分解系数 CmIcnmInCmIcnmIn5.5.2 晶体管倍频器（2）必须采取良好的输出滤波措施。（1）提高输出回路的有载品质因数Q。一般应满足Q10 。（2）采用选择性好的带通滤波器 n图5-32 高选择性带通滤波网络 5.6 天线 5.6.1 天线的作用与分类 发射天线的任务是将发射机输出的高频电流能量转换成电磁波辐射出去；接收天线是发射天线作用的逆过程。用是将空间电波信号转换成高频电流能量送给接收机。同一天线可用作发射和接收，其性能是相同的 5.6.1 天线的作用与分类 天线主要特性指标有输入阻抗、方向性、增益和效率。无线电通信系统的多样性使得天线种类多种多样 按用

19、途不同:通信天线 广播和电视天线 雷达天线 导航和测向天线 5.6.1 天线的作用与分类 按工作波长不同:长波天线 中波天线 短波天线 超短波天线 微波天线 5.6.1 天线的作用与分类 通常将天线按其结构分成两大类：一类是由导线或金属棒构成的线天线 另一类是由金属面或介质面构成的面天线 5.6.2常用天线介绍 1、中长波通信天线绝缘底座图5-33 中波单塔天线拉线单塔天线拉线绝缘子5.6.2常用天线介绍 2短波通信天线短波通信天线图5-34 水平对称振子天线5.6.2常用天线介绍 笼形振子短波天线 图5-35 笼形振子结构图 图5-36 旋转蝙蝠天线结构5.6.2常用天线介绍 3电视及调频广

20、播天线电视及调频广播天线图5-37 引向天线图5-38 羊角拉杆、环形天线本章小结 1.高频谐振功率放大电路可以工作在甲类、乙类或丙类状态。丙类谐振功放的输出功率虽不及甲类和乙类，但高效率高，因此，高频谐振功率放大通常选用丙类工作状态。但同样可以对丙类谐振功放采取措施，以获得较大的输出功率。2.丙类谐振功放效率高的原因在于晶体管导通时间短，集电极功耗小。导通角越小，则输出功率越小，所以选择合适的导通角，是丙类谐振功放在兼顾效率和功率两个指标时的一个重要考虑。本章小结 3.丙类谐振功放的工作状态和性能分析，常采用折线分析法。利用此分析法，可得到谐振功放的负载特性、放大特性、调制特性等，这些特性是理论设计和工程应用的重要依据。4.丙类谐振功放的直流馈电是保证其正常工作的必要条件。对基极和集电极都有串馈和并馈两种方式，基极常采用自给负偏压的方式。5.谐振够功放属于窄带功放宽带功放采用非谐振方式，工作在甲类状态。采用具有宽频带特性的传输线变压器进行阻抗匹配，并利用功率合成技术可增大输出功率。本章小结 6.倍频电路应用广泛，倍频电路是一种线性频率变换电路。7天线是发射机终端和接收机前端的重要器件。简要介绍了常用天线。