寬頻帶高頻功率放大器
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諧振式高頻功率放大器的優(yōu)點(diǎn)是效率高。但是調(diào)諧非常繁瑣 , 而且調(diào)諧速度慢,不能適應(yīng)現(xiàn)代通信發(fā)展的要求。對(duì)于要求工作于多個(gè)頻道,快速換頻的發(fā)射機(jī);電子對(duì)抗系統(tǒng)中有快速跳頻技術(shù)要求的發(fā)射機(jī);多頻道頻率合成器構(gòu)成的發(fā)射機(jī)等都要求采用快速調(diào)諧跟蹤的放大器。顯然,諧振式高頻功率放大器是不能滿足要求的。因此,寬頻帶放大技術(shù)在高頻放大中的應(yīng)用非常重要。寬頻帶高頻功率放大器的頻帶可以覆蓋整個(gè)發(fā)射機(jī)工作頻率范圍,所以在發(fā)射機(jī)變換工作頻率時(shí)不需要進(jìn)行調(diào)諧。
最常見的寬頻帶高頻功率放大器是利用寬頻帶變壓器做輸入、輸出或級(jí)間耦合電路 ,并實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。寬頻帶變壓器有兩種形式。一種是利用普通變壓器原理,只是采用高頻磁芯來擴(kuò)展頻帶,它可以工作在短波波段。另一種是利用傳輸線原理與變壓器原理二者結(jié)合的所謂傳輸線變壓器,其頻帶可以做得很寬。
一、高頻傳輸線變壓器的特性及原理
傳輸線變壓器是在傳輸線和變壓器理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新元件。它用高頻性能良好的、高導(dǎo)磁率的鐵氧體材料作為磁芯 ,用相互絕緣的雙導(dǎo)線均勻地在矩形截面的環(huán)形磁芯上繞制而成,如圖3-24所示。磁環(huán)的直徑根據(jù)傳輸?shù)墓β屎退桦姼械拇笮Q定,一般為(10-30)mm磁芯材料分為錳鋅和鎳鋅兩種,頻率較高時(shí),以鎳鋅材料為宜。這種變壓器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便、價(jià)廉、頻帶很寬（從幾千赫至幾百兆赫)。
圖 3-25是1:1傳輸線變壓器的示意圖。由圖可看出,它是將兩根等長(zhǎng)的導(dǎo)線緊靠在一起,雙線并繞在磁環(huán)上,其接線方式如圖3-25(α)所示。圖3-25(b)是傳輸線等效電路,信號(hào)電壓由1、3端把能量加到傳輸輸線變壓器,經(jīng)過傳輸線的傳輸,在2、4端將能量饋給負(fù)載。圖3-25(c)是普通變壓器的電路形式。由于傳輸線變壓器的2端和3端接地,所以這種變壓器相當(dāng)于一個(gè)倒相器。實(shí)際上傳輸線變壓器和普通變壓器傳遞能量的方式是不相
同的。對(duì)于普通變壓器來說 ,信號(hào)電壓加于初級(jí)繞組的1、2端,使初級(jí)線圈有電流流過,然后通過磁力線,在次級(jí)3、4端感應(yīng)出相應(yīng)的交變電壓，將能量由初級(jí)傳遞到次級(jí)負(fù)載上。而傳輸線方式的信號(hào)電壓卻加于1、3端，能量在兩導(dǎo)線間的介質(zhì)中傳播,自輸入端到達(dá)輸出端的負(fù)載上。
對(duì)于傳輸線來說 ,可以看成是由許多電感、電容組成的耦合鏈，俯底,如圖3-26所示。電感為導(dǎo)線ΔL的電感量，電容為兩導(dǎo)線間的分布電容。
當(dāng)信號(hào)源加入 1、3端時(shí)，由于傳輸線間電容的存在，信號(hào)源對(duì)電,容充電，使電容儲(chǔ)存電場(chǎng)能。電容通過臨近電感放電，使電感儲(chǔ)存磁場(chǎng)能。即電場(chǎng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌?chǎng)能。然后電感又向后面的電容進(jìn)行能量交換，磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)換成電場(chǎng)能。再往后電容又與后面的電感進(jìn)行能量交換,如此往復(fù)下去。輸入信號(hào)就以電磁能交換的形式,自始端傳輸?shù)浇K端,最后被負(fù)載吸收。
在傳輸線變壓器中 ,線間的分布電容不是影響高頻能量傳輸?shù)牟焕蛩?，反而是電磁能轉(zhuǎn)換的必不可少的條件。此外，電磁波主要是在導(dǎo)線間介質(zhì)中傳播的，因此磁芯的損耗對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸簿痛鬄闇p少。傳輸線變壓器的最高工作頻率就可以有很大的提高，從而實(shí)現(xiàn)寬頻帶傳輸?shù)哪康摹?yán)格地說,傳輸線變壓器在高頻段和低頻段上,傳送能量的方式是不同的。在高頻時(shí),主要通過電磁能變替變換的傳輸方式傳送。在低頻時(shí),將同時(shí)通過傳輸線方式和磁耦合方式進(jìn)行傳送。頻率越低,傳輸線傳輸能量的效率就越差,就更多地依靠磁耦合方式來進(jìn)行傳送。
二、寬頻帶傳輸線變壓器電路
(一)1:1傳輸線變壓器
圖 3-25所示的傳輸線變壓器稱為1:1傳輸線變壓器,又稱為倒相變壓器。根據(jù)傳輸線的理論,當(dāng)傳輸線為無損耗傳輸線,旦負(fù)載阻抗RL等于傳輸線特性阻抗Zc時(shí),則傳輸線終端電壓U2與始端電壓Ul的關(guān)系為←
U 2 =Ul e -jωt
式中 ,α=2π/λ為傳輸線的相移常數(shù),單位為rad/m.為工作波長(zhǎng),t為傳輸線的長(zhǎng)度。如果傳輸線的長(zhǎng)度取得很短,滿足αl《1,則e-jωt≈1,于是U 2 =U 1 ,即傳輸線輸入端電壓U I 與輸出端電壓U 2 的幅值相等,相位近似相同。同樣道理,I 2 =I l e -jωt ,必然I 1 =I 2 .在2端與3端接地的條件下,則負(fù)載R L 上獲得一個(gè)與輸入端幅度相等、相位相反的電壓,即
U L =-U I
由電路圖可以看出 ,實(shí)現(xiàn)變壓器與福在匹配的條件是
Zc=R L ,
實(shí)現(xiàn)信號(hào)源與傳輸線變壓器匹配的條件是
Z C =Rs
顯然 ,1:1傳輸線變壓器的最佳匹配條件是
Zc=Rs=R L
負(fù)載 R L 上獲得的功率為
Po=I 2 R L
而 I l =I 2 ,則
Po=I 2 R L =[Us/(Rs+Zc)]2R L
在 RL=Zc=Rs的條件下,在R L 上可獲得最大功率。
在各種放大電路中 ,R L 正好等于信號(hào)源內(nèi)阻的情況是很少的。因此,1:1傳輸線變壓器更多的是用來作為倒相器
(二)1:4阻抗變換傳輸線變壓器
1:4傳輸線變壓器。它可以起一個(gè)1:4阻抗變換器的作用,即Rs:R L =1:4.下面僅就理想、無損耗傳輸線的電壓、電流關(guān)系來說明最佳匹配條件和阻抗變換關(guān)系。
由于無損耗傳輸線在匹配條件下 ,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 ,在最佳匹配條件下,Rs=Zi=Zc/2=RL/4這個(gè)傳輸線變壓器相當(dāng)于1:4阻抗變換器。
(三)4:1阻抗變換傳輸線變壓器
根據(jù) 4:1阻抗變換的主宰,可用圖3-28所示的電路來組成。
下面我們?nèi)杂美硐朐獡p耗傳輸線的電壓、電流關(guān)系來說明最佳匹配條件和阻抗變換關(guān)系。
由于無損傳輸線在匹配條件下 ,U 1 =U 2 和I 1 =I 2 則
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 ,在最佳匹配條件下,
Rs=Zi=2Zc=4R L .
三、寬頻帶高頻功率放大器
由傳輸線變壓器與晶體管掏成的寬頻帶高頻功率放大器 ,利用傳輸線變壓器在寬頻帶范圍內(nèi)傳送高頻能量和實(shí)現(xiàn)放大器與放大器的阻抗匹配或?qū)崿F(xiàn)放大器與負(fù)載之間的阻抗匹配。圖3-29是這種功率放大器的典型電路。
B1、B2和B3是寬頻帶傳輸線變壓器,Bl和B2串接組成16:1阻抗變換器,使Tl的高輸出阻抗與 T2的低輸入阻抗相匹配。電路每一級(jí)都采用了電壓負(fù)反饋電路,以改善放大器的性能。電阻1.8KΩ與47Ω串聯(lián)給T1放大器提供反饋,電阻1.2KΩ與12Ω串聯(lián)給T2放大器提供反饋。為了避免放大器通過電源內(nèi)阻在放大器級(jí)間產(chǎn)生寄生耦合,采用RC去耦濾波電路。濾波電容是由大小不同的三個(gè)電容并聯(lián)組成,分別對(duì)不同的頻率濾波。由于沒有采用調(diào)諧回路,這種放大器應(yīng)工作于甲類狀態(tài)。對(duì)于輸初級(jí)采用乙類推挽電路,以提高效率。
這個(gè)電路的工作頻率范圍為 (2-30)MHZ,輸出功率為6OW。根據(jù)負(fù)載為50Ω,經(jīng)B3的4:1阻抗變換,T2的集電極負(fù)載就為200Ω,由于工作于大功率狀態(tài),其輸入電阻為12Ω左右,且會(huì)隨輸入信號(hào)大小變化。為了減小輸入阻抗變化對(duì)前級(jí)放大器的影響,在T2的輸入端并接了一個(gè)12Ω的電阻,使總的輸入電阻變成為6Ω,經(jīng)16:1阻抗變換,Tl的集電極負(fù)載為96Ω。
評(píng)論