高频 功放要点

摘要宽频功率放大器，实际上就是一种以非调谐单元作为输出匹配电路的功率放大器，它要求在很宽的波段范围以内对信号进行尽可能一致的线性放大。

由于宽带放大器没有选频作用，输出信号中谐波干扰比较大，故一般只工作与非线性失真较小的甲类或甲乙类，不宜工作于乙类或丙类。

本设计主要介绍具有宽带特性的传输线变压器及其宽带功率放大器的工作原理。

关键词：宽带传输线变压器功率放大器AbstractBroadband power amplifier is actually a non-tuner module output matching circuit of power amplifier, which require a wide-band linear amplification of the signals are as homogeneous as possible within the scope. Due to the broadband amplifier no frequency selection, large harmonic interference of output signal, typically only work with non-linear distortion smaller class a or class-AB, unfit for work in Group b or group c category. This design focuses on broadband characteristics of transmission-line transformer and its working principle of broadband power amplifier.Key words：Broadband transmission-line transformer amplifier1.绪论宽带功率放大器的应用开始从军用向民用扩展 ,目前在无线通信、移动电话、卫星通信网、全球定位系统(GPS)、直播卫星接收(DBS)、ITS 通信技术及毫米波自动防撞系统等领域有着广阔的应用前景，在光传输系统中，宽带功率放大器也同样占有重要地位。

在无线通信、电子战、电磁兼容测试和科学研究等领域,对射频和微波宽带放大器有极大需求,且这些领域对宽带放大器要求各不相同。

特别是在通信系统和电子战系统的应用中,对宽带低噪声和功率放大器的性能指标有特殊要求。

在设计上传统窄带放大器的端口匹配 ,一般是按照低噪声或者共扼匹配来设计的 ,以此获得低噪声放大器或者最大的输出功率。

但是 ,在宽带的条件下,输入/输出阻抗变化是比较大的 ,此时使用共扼匹配的概念是不合适的。

正因为如此 ,宽带放大器的匹配电路设计方法也与窄带放大器有所不同 ,宽频带放大器电路结构主要可以分为以下几种:平衡式放大器;反馈式放大器;分布式放大器;有耗匹配式放大器;有源匹配式放大器;达灵顿对结构。

以高频变压器作为负载的功率放大器最高工作频率可达几百千赫至十几兆赫，但当工作频率更高时，由于线圈漏感和匝间分布电容的作用，其输出功率将急剧下将，这不符合高频电路的要求，因此很少使用。

以传输线变压器作为负载的功率放大器，上限频率可以达到几百兆赫乃至上千兆赫，它特别适合要求频率相对变化范围较大和要求迅速更换频率的发射机，而且改变工作频率时不需要对功放电路重新调谐。

2.设计指标及思路2.1 设计指标1. 采用晶体管完成一个高频宽带功率放大器的设计2. 电源电压Vcc＝＋12V，采用NXO－100环形铁氧体磁芯，3. 工作频率f0＝6MHz～10MHz4. 负载电阻RL ＝75Ω时，输出功率P≥100mW，效率η>40％5. 完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。

2.2.设计思路高频功率放大器的主要功用是放大高频信号，并且以高效输出为目的，它主要应用于各种无线电发射机中。

发射机中的振荡器产生的信号功率很小，需要经过多级高频功率放大器才能获得足够的功率，送到天线辐射出去。

则此次可用两级功率放大器组成高频功率放大器，如图2.1[2]。

图2.1 设计框图利用宽带功放不需要调谐回路，可在很宽的频率范围内获得线性放大。

但是效率较低，一般只有20%左右。

它通常作为发射机的中间级，以提供较大的激励功率。

利用选频网络作为负载回路的功放称为谐振功放。

根据放大器电流导通角Q越小，放大器的效率越高。

如丙类放大器Q<90°，但是效率可达到80%。

丙类功放通常作为发射机的末级，以获得较大的输出功率和较高的效率。

3.设计原理3.1宽带功率放大器的指标分析宽带功率放大器的许多指标和普通的功率放大器是一样的，如饱和输出功率、P1dB 压缩点、功率效率、互调失真、谐波失真、微波辐射等，但宽带功率放大器也有特殊之处。

3.1.1工作频带宽度工作频带通常指放大器满足其全部性能指标的连续工作频率范围。

3.1.2增益平坦度与起伏斜率增益平坦度是指频带内最高增益与最低的分贝数之差，多倍频程放大器的增益平坦度一般是±1～±3dB 。

在微波系统中有时候需要两个以上的宽频带放大器级联，级联放大器的增益平坦度将变坏，这是由于前级放大器输出驻波比与后级放大器输入驻波比不一致造成的。

尤其在宽频带内，级间的反射相位有时迭加，有时抵消，增大了起伏，因此一般要在级联放大器的级间加匹配衰减器。

环境温度、直流偏置电压以及时间老化等因素对增益值影响较大，而对增益平坦度的影响较小。

3.1.3驻波比与反射损耗宽频带放大器的驻波比指标比窄频带放大器更难保证。

倍频程放大器可以达到VSWR<2，当要求较高时，可以用铁氧体隔离器改善驻波比。

但是，在多倍频程的情况下，无法获得适用的超宽频带隔离器，所以驻波比不可能很好。

3.2 甲类功放3.2.1 静态工作点如图3.1所示，晶体管Q 1组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态[2]。

其中R B1、R B2为基极偏置电阻；R E1为直流负反馈电阻，以稳定电路的静态工作点。

R F1为交流负反馈电阻，可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。

电路的静态工作点由下列关系式确定： 图3.1 甲类功率放大器()111E CQ E F EQ EQ R I R R I U ≈+= （式3.1） 式中，RF1一般为几欧至几十欧。

BQ CQ I I β= （式3.2）V U U EQ BQ 7.0+= （式3.3）3.2.2 负载特性[2]甲类功率放大器的输出负载由丙类功放的输入阻抗决定,两级间通过变压器进行耦合，因此甲类功放的交流输出功率P 0可表示为：B H P P η'=0（式3.4） 式中，PH ′为输出负载上的实际功率，ηB 为变压器的传输效率，一般为ηB=0.75~0.85。

图3.2甲类功放的负载特性图3.2为甲类功放的负载特性。

为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q 应选在交流负载线AB 的中点，此时集电极的负载电阻RH 称为最佳负载电阻。

集电极的输出功率PC 的表达式为：（式3.5）式中，U cm 为集电极输出的交流电压振幅，I cm 为交流电流的振幅，它们的表达式分别为：CES E CQ CC cm U R I U U --=1（式3.6） CQ cm I I ≈ （式3.7）HCmCm Cm C R u I u P 22121==式中，U CES 称为饱和压降，约1V 。

如果变压器的初级线圈匝数为N1，次级线圈匝数为N2，则'21HHB R R N N η= （式3.8） 式中，RH ′为变压器次级接入的负载电阻，即下级丙类功放的输入阻抗[6]。

3.3传输线变压器[3]3.3.1 特点工作频率极宽，上限频率到上千兆赫兹，频率覆盖系数可达到104。

3.3.2 材料将传输线绕在高磁导率、低损耗的磁环上构成。

传输线可采用纽绞线、平行线、同轴线等，而磁环一般由镍锌高频铁氧体制成，其直径小的只有几毫米，大的有几十毫米，视功率大小而定。

3.3.3 2:1的传输线变压器传输线变压器除了可以实现1:1的反相变压器外，还可以实现阻抗变换，但由于受结构的限制，只能实现某些特定阻抗比的变换。

图 3.3给出了一种2:1传输线阻抗变换器的原理图。

图3.3 2:1的传输线变压器在无耗且传输线长度很短的情况下，传输线变压器输入端与输出端电压相同。

若设R L 上的电压为U ，信号源提供的电流为I ，则通过R L 的电流为I ，信号源呈现的电压为U 。

因此信号源呈现的输入阻抗为：R i =U/I= (U/2I)=2R L （式3.9）要求传输线的特性阻抗：Zc=U/I= (U/2I)= R L （式3.10） 则输入、输出阻抗比：R i /R L =2/1 （式3.11）3.4 宽带功放的功率增益与电压放大器不同的是功率放大器应有一定的功率增益，甲类功率放大器不仅要为下一级功放提供一定的激励功率，而且还要将前级输入的信号，进行功率放大，功率增益A p 的表达式为：i o P P P A = （式3.12） 其中，P i 为放大器的输入功率，它与放大器的输入电压u im 及输入电阻R i 的关系为：ii im P R u 2= （式3.13）式中，Ri 又可以表示为：()11F fe ie i R h h R ++≈ （式3.14）式中，h ie 为共发接法晶体管的输入电阻，高频工作时，可认为它近似等于晶体管的基极体电阻r bb ¹ 。

h fe 为晶体管共发接法电流放大系数，在高频情况下它是复数，为方便起见可取晶体管直流放大系数β[1]。

3.5丙类功率放大器利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器，这是无线电发射机中的重要组成部分。

根据放大器电流导通角θ的范围可分为甲类、乙类、丙类及丁类等不同类型的功率放大器[1]。

电流导通角θ愈小， 图3.4 丙类功率放大器 放大器的效率η愈高。

如甲类功放的θ=180，效率η最高也只能达到50%，而丙类功放的θ< 90º，效率η可达到80%，甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。

丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率[5]。

3.5.1基本关系如图3.4所示[2]，丙类功率放大器的基极偏置电压U BE 是利用发射极电流的直流分量I EO （≈I CO ）在射极电阻R E2上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。

当放大器的输入信号Ui 为正弦波时，则集电极的输出电流i c 为余弦脉冲波。

利用谐振回路L 2C 3的选频作用可输出基波谐振电压u c1,电流i c1。

图3.4画出了丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。