[组图]宽频带高频功率放大器

    谐振式高频功率放大器的优点是效率高。但是调谐非常繁琐 , 而且调谐速度慢,不能适应现代通信发展的要求。对于要求工作于多个频道,快速换频的发射机;电子对抗系统中有快速跳频技术要求的发射机;多频道频率合成器构成的发射机等都要求采用快速调谐跟踪的放大器。显然,谐振式高频功率放大器是不能满足要求的。因此,宽频带放大技术在高频放大中的应用非常重要。宽频带高频功率放大器的频带可以覆盖整个发射机工作频率范围,所以在发射机变换工作频率时不需要进行调谐。
    最常见的宽频带高频功率放大器是利用宽频带变压器做输入、输出或级间耦合电路 ,并实现阻抗匹配。宽频带变压器有两种形式。一种是利用普通变压器原理,只是采用高频磁芯来扩展频带,它可以工作在短波波段。另一种是利用传输线原理与变压器原理二者结合的所谓传输线变压器,其频带可以做得很宽。

    一、高频传输线变压器的特性及原理

    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 ,用相互绝缘的双导线均匀地在矩形截面的环形磁芯上绕制而成,如图3-24所示。磁环的直径根据传输的功率和所需电感的大小决定,一般为(10-30)mm磁芯材料分为锰锌和镍锌两种,频率较高时,以镍锌材料为宜。这种变压器的结构简单、轻便、价廉、频带很宽（从几千赫至几百兆赫)。

    图 3-25是1:1传输线变压器的示意图。由图可看出,它是将两根等长的导线紧靠在一起,双线并绕在磁环上,其接线方式如图3-25(α)所示。图3-25(b)是传输线等效电路,信号电压由1、3端把能量加到传输输线变压器,经过传输线的传输,在2、4端将能量馈给负载。图3-25(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。实际上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。而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。

    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，俯底,如图3-26所示。电感为导线ΔL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交换，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。

    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。此外，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少。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,主要通过电磁能变替变换的传输方式传送。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。

    二、宽频带传输线变压器电路

    (一)1:1传输线变压器

    图 3-25所示的传输线变压器称为1:1传输线变压器,又称为倒相变压器。根据传输线的理论,当传输线为无损耗传输线,旦负载阻抗RL等于传输线特性阻抗Zc时,则传输线终端电压U2与始端电压Ul的关系为←

U 2 =Ul e -jωt

式中 ,α=2π/λ为传输线的相移常数,单位为rad/m.为工作波长,t为传输线的长度。如果传输线的长度取得很短,满足αl《1,则e-jωt≈1,于是U 2 =U 1 ,即传输线输入端电压U I 与输出端电压U 2 的幅值相等,相位近似相同。同样道理,I 2 =I l e -jωt ,必然I 1 =I 2 .在2端与3端接地的条件下,则负载R L 上获得一个与输入端幅度相等、相位相反的电压,即

U L =-U I

由电路图可以看出 ,实现变压器与福在匹配的条件是

Zc=R L ,

实现信号源与传输线变压器匹配的条件是

Z C =Rs

显然 ,1:1传输线变压器的最佳匹配条件是

Zc=Rs=R L

负载 R L 上获得的功率为

Po=I 2 R L 

而 I l =I 2 ,则

Po=I 2 R L =[Us/(Rs+Zc)]2R L

在 RL=Zc=Rs的条件下,在R L 上可获得最大功率。
    在各种放大电路中 ,R L 正好等于信号源内阻的情况是很少的。因此,1:1传输线变压器更多的是用来作为倒相器

    (二)1:4阻抗变换传输线变压器
    1:4传输线变压器。它可以起一个1:4阻抗变换器的作用,即Rs:R L =1:4.下面仅就理想、无损耗传输线的电压、电流关系来说明最佳匹配条件和阻抗变换关系。

    由于无损耗传输线在匹配条件下 ,U l =U 2 和I 1 =I 2 ,得

Z i =U 1 /I 1 +I 2 =U 1 /2I 1 =Zc/2

另外

R L =U 1 +U 2 /I 2 =2U 1 /I 1 =2Z C

所以 ,在最佳匹配条件下,Rs=Zi=Zc/2=RL/4这个传输线变压器相当于1:4阻抗变换器。

    (三)4:1阻抗变换传输线变压器

    根据 4:1阻抗变换的主宰,可用图3-28所示的电路来组成。

    下面我们仍用理想元损耗传输线的电压、电流关系来说明最佳匹配条件和阻抗变换关系。

    由于无损传输线在匹配条件下 ,U 1 =U 2 和I 1 =I 2 则

Z i =U I +U 2 /I 1 =2U 1 /I 1 =2Zc

另外 ,

R L =U 2 /I 1 +I 2 =U 1 /2I 1 =1/2 Zc

所以 ,在最佳匹配条件下,

Rs=Zi=2Zc=4R L .

    三、宽频带高频功率放大器

    由传输线变压器与晶体管掏成的宽频带高频功率放大器 ,利用传输线变压器在宽频带范围内传送高频能量和实现放大器与放大器的阻抗匹配或实现放大器与负载之间的阻抗匹配。图3-29是这种功率放大器的典型电路。

    B1、B2和B3是宽频带传输线变压器,Bl和B2串接组成16:1阻抗变换器,使Tl的高输出阻抗与 T2的低输入阻抗相匹配。电路每一级都采用了电压负反馈电路,以改善放大器的性能。电阻1.8KΩ与47Ω串联给T1放大器提供反馈,电阻1.2KΩ与12Ω串联给T2放大器提供反馈。为了避免放大器通过电源内阻在放大器级间产生寄生耦合,采用RC去耦滤波电路。滤波电容是由大小不同的三个电容并联组成,分别对不同的频率滤波。由于没有采用调谐回路,这种放大器应工作于甲类状态。对于输初级采用乙类推挽电路,以提高效率。

    这个电路的工作频率范围为 (2-30)MHZ,输出功率为6OW。根据负载为50Ω,经B3的4:1阻抗变换,T2的集电极负载就为200Ω,由于工作于大功率状态,其输入电阻为12Ω左右,且会随输入信号大小变化。为了减小输入阻抗变化对前级放大器的影响,在T2的输入端并接了一个12Ω的电阻,使总的输入电阻变成为6Ω,经16:1阻抗变换,Tl的集电极负载为96Ω。