高频电子_电子线路-非线性部分(第四版)-谢佳奎-课件-第一章-功率电子线路

1、3传输线变压器的应用
传输线输出端的等效阻抗为： 输入端（1、3端）的等效阻抗为 ： 为了实现传输线变压器与负载的匹配，要求：
为了实现信号源与传输线变压器的匹配，要求：
us
i2
RL
1：1传输线变压器，最佳匹配状态应该满足 ：
满足最佳功率传输条件的传输线特性阻抗为：
1：1传输线变压器具有最大的功率输出。但实际上，在各种放大电路 中RL正好等于信号源内阻的情况是很少的。因此，1：1传输线变压器很少 用作阻抗匹配元件，而更多的是用来作为倒相器，或进行不平衡-平衡以及 平衡-不平衡转换。
对于传输线来说，可以看成是由许多电感、电容组成的耦合链， 如图1-1所示。电感为导线每一段的电感量，电容为两导线间的分布电 容。当信号源加入1、3端时，由于传输线间电容的存在，信号源将对
电容充电，使电容储存电场能。电容通过临近电感放电，使电感储存
磁场能，即电场能转变为磁场能。然后电感又向后面的电容进行能量
1、2工作方式 在传输线变压器中，线间的分布电容不是影响高频能量
传输的不利因素，反而是电磁能转换的必不可少的条件。 电磁波主要是在导线间介质中传播的，因此磁芯的损耗
对信号传输的影响也就大为减小。传输线变压器的最高工作 频率就可以有很大的提高，从而实现宽频带传输的目的。 严格地说，传输线变压器在高频段和低频段上，传送能
量的方式是不同的。在高频时，主要通过电磁能交替变换的
传输线方式传送，在低频时，将同时通过传输线方式和磁耦 合方式进行传送。频率越低，传输线传输能量的效率就越差，
就更多地依靠磁耦合方式来进行传送。
不平衡口：某一网络端口的两点，如果有一端是接地的，则称为不平衡口， (1) 1：1传输线变压器 如：共射、共基放大器等。 1：1传输线变压器，又叫倒相变压器。当传输线无损时，可以认为 平衡口：若两端都不接地，则称为平衡口，如：双端输入输出的差分对放 u i1 1=u2和i1=i2。 大器等。 u1 u2 如果传输线的特性阻抗： Rs
理想的功率合成器不但应具有功率合成的功能, 还必须在其输入端使与其相接的前级各率放大器互 相隔离, 即当其中某一个功率放大器损坏时, 相邻 的其它功率放大器的工作状态不受影响, 仅仅是功 率合成器输出总功率减小一些。
1、高频功率合成的一般概念
功率合成电路的原理是用N个相同的功率放大器，通
过混合电路使其输出功率在公共负载上叠加起来，即总输 出功率。 PL = nPi
2、对功率合成器的要求是： （1）如果每个放大器的输出幅度相等，供给匹配负载的额 定功率均为 Pi ，放大器在负载上的总功率应为 nPi 。
（2）合成器的输入端应彼此相互隔离，其中任何一个功率
放大器损坏或出现故障时，对其他放大器助工作状态不发生 影响。
（3）、当一个或数个放大器损坏时，要求负载上的功率下降要 尽可能的小。
1 1 1 P = I (2 U ) = 2 UI = 2 UI A B RD上获得功率为 D 2 d 2 2
A、B两端每边的输出功率为: PA = PB
PD = PA + PB
R L = U i A RD = 2U i
D
RD上获得的功率等于A、B两端输出功率之和，而RC上没有消
Rs
1 2
Rs
i2
2u
RL i
us
i2
RL
u2
+ 2u RL
Rs us
u1
传输线变压器的输入阻抗为 ：
Rs us
u1
-
u2
RL
传输线变压器把负载RL变换为RL/4，实现了1：4的阻抗变换。
如果把输入端和输出端对调就成为4：1传输线变压器。4：1传输线变 压器把负载阻抗升高4倍和信号源匹配，由电压电流关系不难证明该变压器 具有4：1的阻抗变换作用。用n个1：1传输线变压器，可得到 (n + 1) 2 : 1 的阻抗变
1．1结构和原理 传输线变压器是在传输线和变压器理论基础上发展起 来的新元件。它用高频性能良好的、高导磁率的铁氧体材 料作为磁芯。用相互绝缘的等长双导线(同轴电缆、双股 线或带状线)均匀地在矩形截面的环形磁芯上统制而成， 如图1-2(a)所示。
RL Rs Rs us (a) 结构示意图 us u1 u2 RL Rs us u1 u2
传输线变压器和普通变压器传递能量的方式是不相同的。 对于普通变压器来说，信号电压加于初级绕组的1、2端，使初级线圈 有电流流过，然后通过磁力线，在次级3、4端感应出相应的交变电压，将 能量由初级传递到次级负载上。 传输线方式的信号电压却加于1、3端，能量在两导线间的介质中传播， 自输入端到达输出端的负载上。
交换，即磁场能转换成电场能。再往后电容又与后面的电感进行能量
交换，如此往复下去。输入信号就以电磁能交换的形式，自始端传输
到终端，最后被负载吸收。
图1-1传输线等效电路
二、 高频传输线变压器
普通变压器上、下限频率的扩展方法是相互制约的。为了扩展下限 频率, 就需要增大初级线圈电感量, 使其在低频段也能取得较大的输入 阻抗, 如采用高导磁率的高频磁芯和增加初级线圈的匝数, 但这样做将 使变压器的漏感和分布电容增大, 降低了上限频率；为了扩展上限频率, 就需要减小漏感和分布电容, 减小高频功耗, 如采用低导磁率的高频磁 芯和减少线圈的匝数, 但这样做又会使下限频率提高 。
RL
(b) 原理电路图
(c) 普通变压器的原理电路
图1-2 传输线变压器的结构与电路
RL Rs u1 u2 RL Rs
Rs
us (a) 结构示意图
us
u1
u2
us
RL
(b) 原理电路图
(c) 普通变压器的原理电路
图(b)是传输线等效电路，信号电压由l、3端把能量加到传输线变压 器，经过传输线的传输，在2、4端将能量馈给负载。 图(c)是普通变压器的电路形式。由于传输线变压器的 2端和3端接地， 所以这种变压器相当于一个倒相器。
第一章 功率电子线路
第一节 功率合成技术
❖
要点： 传输线变压器的原理、功率合成原理 用途： 通信和其他功率电子系统中，具有隔离、
对称与不对称变换和阻抗变换作用。
❖ ❖
特点： 结构简单、轻便、廉价，频带很宽
1、 高频传输线变压器
❖
一、传输线
1、指连接信号源和负载的两根导线； ❖ （1）、低频工作：即信号波长远大于导线长度时，传输线就是两根普 通的连接线，因此它的下限频率为零；(传输线变压器,下限频率取决 于初级绕组电感量) ❖ （2）、高频工作：即信号波长与导线长度可以比拟时，两导线上的固 有分布电感和线间分布电容的影响就不能忽略，上限频率与其长度L有 关，L越小，上限频率越高；
换器。
小结
❖
传输线变压器应用：
倒相变压器；
转换器：进行不平衡-平衡以及平衡-不平衡转换； 阻抗变换器；
功率合成与分配
2、功率合成和分配网络
利用多个功率放大电路同时对输入信号进行放 大, 然后设法将各个功放的输出信号相加, 这样得 到的总输出功率可以远远大于单个功放电路的输出 功率，这就是功率合成技术。 利用功率合成技术可以获得几百瓦甚至上千瓦 的高频输出功率。
（4） 、满足宽频带工作要求。在一定通带范围内，功率输出要
平稳，幅度及相位变化不能太大，同时保证阻抗匹配要求。
2．功率合成网络
图所示是一个反相 激励功率合成网络。由
图可见，A、B两端加以
反相激励电压。
(1)A、B端加反向激励，C 端无输出，D端功率合成；
(2)为满足功率合成条件， 四个电阻应满足：
1 RA = RB = 2 RC = RD 2
图1-2-1 反相激励功率合成网络
（3）、A、B端隔离，互不影响： 当只有A端激励时，C，D有相等的功率输出；
（4）、A、B加有同相激励电压，则C端有合成功率输出， 而D端无输出；
根据传输线变压器两线圈中的
电流大小相等，方向相反的原则在
图中表示出各个电流的流向。
1、3传输线变压器的应用
(2) 1：4和4：1传输线变压器 1：4传输线变压器是把负载阻抗降为1/4倍以便和信号源相匹配。在负 i1+ i2 i1 i 载匹配的条件下，有 i1 i1+ i2 u1 u1=u2=u和，i1=i2=i u2 u u 由于变压器的 1 端与 4 端相连， us 输入端1端与3端的电压为u， 负载 RL 上的电压为 u1+u2=2u ， 输入端1的电流为i1+i2=2i，且
2、传输线上每点的电压不仅是时间函数，也是距离函数；
3、传输线本身不消耗能量，输入能量全部转移到负载； 4、传输线特性： ❖ （1）、传输线任意一点，两导线流过的电流大小相等，相位相反； ❖ （2）、当 Z C = RL = RS ：两导线间电压处处相等，相位相同；
5、传输线在高频情况下的等效电路
Fra Baidu bibliotek
iD − i1
RD 4 R DRC + RC RD − RC 4 R DRC
iA = vA − vB 1 1 vA = iA R D + Rc + iB R D − Rc 4 4 RD RD + RC − RC 4 4 1 1 iB = vB − vA vB = i A R D − Rc + iB R D + Rc R DRC R DRC 4 4
常用的宽带匹配网络是传输线变压器, 它可使功放的最高频率扩 展到几百兆赫甚至上千兆赫, 并能同时覆盖几个倍频程的频带宽度。 由于无选频滤波性能, 故宽带高频功放只能工作在非线性失真较小的 甲类或乙类状态, 效率较低。所以, 宽带高频功放是以牺牲效率来换 取工作频带的加宽。
利用传输线变压器可以组成各种类型的功率分配器和功率合成器, 且 具有频带宽、 结构简单、插入损耗小等优点, 然后可进一步组成宽频带 大功率高频功放电路。
若RC = 1 RD , 4
i A仅于iB有关；iB 仅与v B 有关，且每个功率放大 器
的等效负载均为 R D /2或2RC。
同理，当其中一个激励信号源为零时，单一输
入的激励功率将在 RC 和 RD上平分功率。非激励端则 无输出，即A、B两点互相隔离。
3．功率分配网络
最常见的功率分配网络是功率二分配器。这种
v 2,4 = v1,3 = vD 2 , v D = i D R D , vc = i c R c , i c = 2i1
1 i D RD + 2i1 Rc 2 1 v B = v2,4 − vc = i D RD − 2i1 Rc 2
v A = v1,3 + vc =
iA = i1 + iD 在B点： iB = 在A点： 1 1 i D = ( i A + i B ) , i1 = ( i A − i B ) 2 2
因此:
v = 0, vC = v B + v = v A vA = vB + 2v 所以两绕组上的电压：
PC = PA + PB
由此可见，当A、B两端为同相激励时，C端RC上获得功率为 PA + PB ，D端无功率输出。
1 2U RS = RA = RB = U / I = = 2 RC 2 I
当ia ib , va vb , 即两功率放大器 提供不等值功率时：
上二式相减，得: 2iD
v
v
＋ －
vd
－
－
因为： iA = iB = I sin t , vA = vB = U sin t
iD = 0
所以 :vD =0, iC = 2i1 = iA + iB 因而： v A = v B
1 1 1 P = 2 IU = 2 I U = 2 I U RC上获得功率为: C ( ) A B 2 2 2
iA 在A点：
= i1 + iD 在B点： iB = iD − i1
当两功率放大器提供等值反向功率，即：
i A = iB = I s i nt ，v A = vB = U s i nt ： iC = 2i1 = iA − iB＝0 i D = i A = i B
u1 = U , u3 = uc = 0, u4 = −U , 所以，R D两端的电压uRD = 2U
耗功率，每个信号源的等效负载电阻为 RL = RA = RB = RD / 2
(2)同相激励合成网络 图1-2-2所示是一个同相激励功率合成器。由图可见，
A、B两端加以同相激励电压。
图1-2-2 同相激励功率合成器
在A点: i
A
= i1 + iD
= iA − iB
＋
＋
在B点: iB = i1 − iD