宽带高频功率放大器

5.4 宽带高频功率放大器

以LC谐振回路为输出电路的功率放大器，因其相对通频带只有百分之几甚至千分之几，因此又称为窄带高频功率放大器。这种放大器比较适用于固定频率或频率变换范围较小的高频设备，如专用的通讯机、微波激励源等。除了LC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。

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。本节重点分析传输线变压器的工作原理，并介绍其主要应用。

5.4.1 传输线变压器

1. 传输线变压器的结构及工作原理

传输线变压器是将传输线（双绞线、带状线、或同轴线）绕在高导磁率铁氧体的磁环上构成的。如图5-24（a）所示为1:1传输线变压器的结构示意图。

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，它是以传输线方式和变压器方式同时进行能量传输。对于输入信号的高频频率分量是以传输线方式为主进行能量传输的；对于输入信号的低频频率分量是以变压器方式为主，频率愈低，变压器方式愈突出。

如图5-24(b)为传输线方式的工作原理图，图中，信号电压从1、3端输入，经传输线

R上。如果信号的波长与传输线的长度相比拟，变压器的传输，在2、4端将能量传到负载

L

两根导线固有的分布电感和相互间的分布电容就构成了传输线的分布参数等效电路，如图

5-24(d)所示。若认为分布参数为理想参数，信号源的功率全部被负载所吸收，而且信号的上限频率将不受漏感、分布电容及高导磁率磁芯的限制，可以达到很高。

图5-24 1:1传输线变压器的结构示意图及等效电路

在以变压器方式工作时，信号电压从1、2端输入，3、4端输出。如图5-24 (c)所示为变压器方式的工作原理图。由于输入、输出线圈长度相同，由图5-24（c ）可知，这是一个1:1的倒相变压器。

由上分析可见，传输线变压器具有良好的宽频带特性。

2. 传输线变压器的应用

上面我们对传输线变压器的结构及工作原理做了分析和讨论，下面介绍几种常用的传输线变压器，按照变压器的工作方式，传输线变压器常用作极性变换，平衡－不平衡变换和阻抗变换等。

（1）极性变换

传输线变压器作极性变换电路，就是前面提到的1:1的倒相传输线变压器,如图5-24 (c)所示。在信号源的作用下，初级绕组1、2端有电压1U , 其极性1端为正，2端为负；在1U 的作用下，通过电磁感应，在变压器次级3、4端产生电压2U ，且1U ＝2U ，极性为3端为正，4端为负。由于3端接地，所以负载电阻L R 上的电压与3、4端电压2U 的极性相反，即实现了倒相作用。

（2）平衡－不平衡变换

如图4.26是传输线用作平衡－不平衡变换电路。图5-25（a ）为平衡输入变换为不平衡输出电路。输入端两个信号源的电压和内阻均相等，分别接在地线的两旁，称这种接法为平衡。输出端负载只是单端接地，称为不平衡。图5-25（b ）为不平衡输入变换为平衡输出电路。

（3）阻抗变换

为了使放大器阻抗匹配，传输线变压器必须具有阻抗变换作用。由于传输线变压器的结构的特殊性，它不能象普通变压器那样，依靠改变初、次级绕组的匝数比可以实现任何阻抗比的变换，而只能完成某些特定阻抗比的变换，如4:1、9:1、16:1等，或1: 4、1: 9、1: 16

等。所谓4:1，是指传输线变压器的输入电阻i R 是负载电阻L R 的四倍，,即i R =4L R ；而i

R 图5-25

平衡－不平衡变换电

＝L R /4，则称为1: 4的阻抗变换。图5-26（a ）、(b)分别为4:1和1: 4的传输线变压器的阻抗变换电路，图5-26（c ）、(d)分别为与其相应的普通变压器形式的等效电路。

下面简要分析4:1阻抗变换原理。由图5-26（a ）、(c)可知，若负载电阻上的电压为U ,流过的电流为2I ；则信号源的端电压为2U ，流出的电流为I ，信号源两端的输入阻抗i R 以及传输线变压器的特性阻抗C Z 分别为：

2442i L U U R R I I

=

== （5-27） 222C L U U Z R I I === （5-28） 可见，输入阻抗为负载的四倍，即实现了4:1阻抗变换。

为了说明传输线变压器在放大器中应用，图5-27给出了一个两级宽带高频功率放大器电路。其中1T 、2T 和3T 均为4:1阻抗变换传输线变压器，1T 和2T 串联后作为第一级功放的输出匹配网络，总阻抗比为16:1；实现第一级功放的高输出阻抗与第二级低输入阻抗之间匹配；第二级功放输出与负载天线（50Ω）采用4:1阻抗变换传输线变压器，实现第二级功放输出与负载天线之间的匹配。

图5-26 4:1和1:4传输线变压器变换电路

图5-27 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，目前广泛应用的方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5-28所示为常用的一种功率合成电路组成方框图。

图中除信号源和负载外，还采用了两种基本组件：一种是用三角形表示的晶体管功率放大器；另一种是用菱形表示的功率分配与合成电路。其中的分配与合成电路，就是利用前面介绍的传输线变压器构成的混合网络。图中虚线方框中所示为功率合成器的基本组成单元。

图5-29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1r T 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。1r T 是功率合成网络，它的作用是将晶体管输出至A ‘

、B 两端同相功率合成供给负载。当1V 、2V 两晶体管输入电阻相等时，有A U = B U =1U ，而1224d A B S R R R R ===。正常工作时，两管输出电压相同，且等于负载电压，即A U = B U =L U ，由于负载上的电流加倍，故负载上的功率是两管输出功率之和，即11(2)22

L A c P U I P =⨯=, 此时平衡电阻上无损耗功率。 图5-28 功率合成电路原理方框图