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1、第三章高频功率放大器第1页，共109页，编辑于2022年，星期二21 1、使用高频功率放大器的目的、使用高频功率放大器的目的 放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。2 2、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题高效率输出高效率输出高功率输出高功率输出高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高。效率高。不同点：工作频率和带宽、负载、工作状态不同点：工作频率和带宽、负载、工作状态联想对比：联想对比：3.1.1 3.1.
2、1 高频功率放大器的特点高频功率放大器的特点第2页，共109页，编辑于2022年，星期二3第3页，共109页，编辑于2022年，星期二43 3、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负 载均为谐振回路。载均为谐振回路。不同之处：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；不同之处：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同；晶体管动态范围不同。晶体管动态范围不同。谐振功率放大器波形图谐振功率放大器波形图小信号谐振放大器波形图小信号谐振放大器波形图第4
3、页，共109页，编辑于2022年，星期二5小信号谐振放大器小信号谐振放大器波形图波形图 第5页，共109页，编辑于2022年，星期二6谐振功率放大器谐振功率放大器波形图波形图第6页，共109页，编辑于2022年，星期二74 4、谐振功率放大器的工作状态、谐振功率放大器的工作状态 功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路功率放大器的
4、主要技术指标是输出功率与效率功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率 工程上普遍采用近似的分析方法工程上普遍采用近似的分析方法折线法来分析其工作原折线法来分析其工作原理和工作状态理和工作状态 第7页，共109页，编辑于2022年，星期二85 5、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同共同之处共同之处:都要求输出功率大和效率高。都要求输出功率大和效率高。功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的
5、效率。谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽信号的通带宽度只有其中心频率的度只有其中心频率的1%1%或更小或更小)，其工作状态通常选为丙类工作状，其工作状态通常选为丙类工作状态态(c c9090)，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽
6、带传输线为负载。频功率放大器以宽带传输线为负载。第8页，共109页，编辑于2022年，星期二9谐振功率放大器的基本电路谐振功率放大器的基本电路晶体管的作用是在将供电电源的直晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起流能量转变为交流能量的过程中起开关控制作用。开关控制作用。谐振回路谐振回路LCLC是晶体管的负载是晶体管的负载电路工作在丙类工作状态电路工作在丙类工作状态外部电路关系式：外部电路关系式：晶体管的内部特性：晶体管的内部特性：一、获得高效率所需要的条件一、获得高效率所需要的条件第9页，共109页，编辑于2022年，星期二10故晶体管的转移特性曲线表达式：故晶体管的转移特
7、性曲线表达式：谐振功率放大器转移特性曲线谐振功率放大器转移特性曲线故得：故得：必须强调指出，集电极电流必须强调指出，集电极电流i ic c虽然虽然是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤是脉冲状，但由于谐振回路的这种滤波作用，仍然能得到正弦波形的输出。波作用，仍然能得到正弦波形的输出。谐振功率放大器各部分的电压与电流谐振功率放大器各部分的电压与电流的波形图如下图所示的波形图如下图所示第10页，共109页，编辑于2022年，星期二11高频功率放大器中各分高频功率放大器中各分电压与电流的关系电压与电流的关系（a a）第11页，共109页，编辑于2022年，星期二12高频功率放大器中各部分电高频功率放大器中
8、各部分电压与电流的关系压与电流的关系第12页，共109页，编辑于2022年，星期二13 功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率电极的直流电源所供给的直流功率，使之转变为交流信号功率输出去。输出去。有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电有一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率。表示转换能力，引入集电极效率的概念。极耗散功率。表示转换能力，引入集电极效率的概念。P Pdcdc=直流电源供给的直流功率；直流电源供给的直流功率；P Po o=集电极交流输出基波
9、信号功率；集电极交流输出基波信号功率；P Pc c=集电极耗散功率；集电极耗散功率；根据能量守衡定理：根据能量守衡定理：故集电极效率：故集电极效率：二、输出功率和效率计算二、输出功率和效率计算dc第13页，共109页，编辑于2022年，星期二14由上式可以得出以下两点结论：由上式可以得出以下两点结论：1)1)设法尽量降低集电极耗散功率设法尽量降低集电极耗散功率P Pc c，则集电极效率，则集电极效率 c c自然会提自然会提高。这样，在给定高。这样，在给定P Pdcdc时，晶体管的交流输出功率时，晶体管的交流输出功率P Po o就会增大；就会增大；2）由式由式得得 如果维持晶体管的集电极耗散功率
10、如果维持晶体管的集电极耗散功率P Pc c不超过规定值，那么提高集不超过规定值，那么提高集电极效率电极效率 c c，将使交流输出功率，将使交流输出功率P Po o大为增加。谐振功率放大器就是大为增加。谐振功率放大器就是从这方面入手，来提高输出功率与效率的。从这方面入手，来提高输出功率与效率的。dcdc第14页，共109页，编辑于2022年，星期二15如何减小集电极耗散功率如何减小集电极耗散功率P Pc c 可见使可见使i ic c在在v vc c最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功率最低的时候才能通过，那么，集电极耗散功率自然会大为减小。自然会大为减小。晶体管集电极平均耗散功率：晶体管集电极
11、平均耗散功率：故：要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的集电极故：要想获得高的集电极效率，谐振功率放大器的集电极电流应该是脉冲状。导通角小于电流应该是脉冲状。导通角小于180180，处于丙类工作状态。，处于丙类工作状态。谐振功率放大器工作在丙类工作状态时谐振功率放大器工作在丙类工作状态时 c c9090，集电极余弦，集电极余弦电流脉冲可分解为傅里叶级数：电流脉冲可分解为傅里叶级数：第15页，共109页，编辑于2022年，星期二16直流功率：直流功率：输出交流功率：输出交流功率：V Vcm cm 回路两端的基频电压回路两端的基频电压 I Icm1 cm1 基频电流基频电流R Rp p 回路的谐
12、振阻抗回路的谐振阻抗 放大器的集电极效率：放大器的集电极效率：dc第16页，共109页，编辑于2022年，星期二17集电极电压利用系数集电极电压利用系数波形系数，通角波形系数，通角 c c的函数；的函数；c c越小越小g g1 1(c c)越大越大 越大越大(即即V Vcmcm越大或越大或v vminmin越小越小)c c越小效率越小效率 c c越高。因此，丙越高。因此，丙类谐振功率放大器提高效率类谐振功率放大器提高效率 c c的途径即为的途径即为减小减小 c c角角；使；使LCLC回路谐振在信号的回路谐振在信号的基频基频上，即上，即i ic c的最大值应对应的最大值应对应v vc c的最小值
13、。的最小值。放大高频信号；非线性工作状态；基极偏置为负值；半通角放大高频信号；非线性工作状态；基极偏置为负值；半通角 c c9090，即丙类工作状态；负载为，即丙类工作状态；负载为LCLC谐振回路。谐振回路。故谐振功率放大器的工作特点：故谐振功率放大器的工作特点：第17页，共109页，编辑于2022年，星期二18尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数其中其中i ic maxc max=g=gc cV Vbmbm(1cos(1cos c c)第18页，共109页，编辑于2022年，星期二19尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数当当 c c120120 时，时，I Icm1cm1/i icmaxcm
14、ax达到最大值。在达到最大值。在I Ic maxc max与与负载阻抗负载阻抗R Rp p为某定值的为某定值的情况下，输出功率将达情况下，输出功率将达到最大值。这样看来，到最大值。这样看来，取取 c c=120=120 应该是最佳通应该是最佳通角了。但此时放大器处角了。但此时放大器处于甲乙类工作状态效率太低。于甲乙类工作状态效率太低。右图可见：右图可见：第19页，共109页，编辑于2022年，星期二20尖顶脉冲的分解系数尖顶脉冲的分解系数波形系数波形系数由曲线可知：由曲线可知：极端情况极端情况 c c=0=0时，时，此时若此时若=1=1，c c可达可达100%100%输出功率为输出功率为0 0
15、因此，为了兼顾功率与效率，因此，为了兼顾功率与效率，最佳通角取最佳通角取7070 左右。左右。dc第20页，共109页，编辑于2022年，星期二21对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分对谐振功率放大器进行分析计算，关键在于求出电流的直流分量量I Ic0c0和基频分量和基频分量I Icm1cm1。这个要用前面讲的折线分析法。这个要用前面讲的折线分析法。折线化的前提要求：工作在低频区折线化的前提要求：工作在低频区低频区低频区:f:f工作工作0.5f0.5f (可忽略内部电抗可忽略内部电抗)中频区中频区:0.5f:0.5fff工作工作0.2f0.2fT T(考虑内部电抗考虑内部电抗
16、)高频区高频区:0.2f:0.2fT Tff工作工作f回路损耗电阻回路损耗电阻r r1 1 衡量回路传输能力优劣的标准，通常以输出至负载的有效功率与衡量回路传输能力优劣的标准，通常以输出至负载的有效功率与输入到回路的总交流功率之比来代表。这比值叫做中介回路的传输效率输入到回路的总交流功率之比来代表。这比值叫做中介回路的传输效率 k k，简称中介回路效率。，简称中介回路效率。第66页，共109页，编辑于2022年，星期二67 从回路传输效率高的观点来看，应使从回路传输效率高的观点来看，应使Q QL L尽可能地小。但从尽可能地小。但从要求回路滤波作用良好来考虑，则要求回路滤波作用良好来考虑，则Q
17、QL L值又应该足够大。从兼顾这两值又应该足够大。从兼顾这两方面出发，方面出发，Q QL L值一般不应小于值一般不应小于1010。在功率很大的放大器中，。在功率很大的放大器中，Q QL L也有低到也有低到1010以下的。以下的。例例故有故有:第67页，共109页，编辑于2022年，星期二68 下图是两种下图是两种 形网络是其中的形式之一形网络是其中的形式之一(也可以用也可以用T T型网络型网络)。图中。图中R R2 2代表终端代表终端(负载负载)电阻，电阻，R R1 1代表由代表由R R2 2折合到左端的等效电阻，故接折合到左端的等效电阻，故接线用虚线表示。线用虚线表示。第68页，共109页，
18、编辑于2022年，星期二69第69页，共109页，编辑于2022年，星期二 图中的图中的R R2 2一般代表终端一般代表终端(负载负载)电阻，电阻，R R1 1则代表由则代表由R R2 2折合到左端的等效电阻，折合到左端的等效电阻，现以现以 (a)(a)为例进行计算公式的推导为例进行计算公式的推导 两种两种型匹配网络型匹配网络(a)(b)L1R1C1C1R1L1C2R2R2C2 将将并并联联回回路路R R1 1C C1 1与与R R2 2C C2 2变变换换为为串串联联形形式式，由由串串、并并联阻抗转换公式可得联阻抗转换公式可得L1C1R1C2R2网络匹配时，网络匹配时，R R1 1=R R2
19、 2 由谐振条件得由谐振条件得 :第70页，共109页，编辑于2022年，星期二 例例 有有一一个个输输出出功功率率为为2W2W的的高高频频功功率率放放大大器器、负负载载电电阻阻R RL L=50=50，E EC C=24V=24V，f f=50MHz=50MHz，Q Q1 1=10=10，试求，试求型匹配网络的元件值。型匹配网络的元件值。解解 :L1R1C1R2=RLC2 R R1 1应应该该是是功功率率放放大大器器所所要要求求的的匹匹配配电电阻阻 R Rp p ,即即L1C1R1C2R2网络匹配时，网络匹配时，R1=R2 改写为：改写为：解之得：解之得：由谐振条件得由谐振条件得:注意，考虑
20、到晶体管的输出电容注意，考虑到晶体管的输出电容C Co o后，后，C C1 1应减去应减去C Co o之值，才是之值，才是所需外加的调谐电容值。一般，当所需外加的调谐电容值。一般，当L L1 1确定之后，用确定之后，用C C2 2主要调匹主要调匹配，用配，用C C1 1主要调谐振。主要调谐振。实际还有其它各种形式的匹配网络。分析方法都很类似，实际还有其它各种形式的匹配网络。分析方法都很类似，即从匹配与谐振两个条件出发，再加上一个假设条件即从匹配与谐振两个条件出发，再加上一个假设条件(通常通常都是假定都是假定Q Q1 1值值)，即可求出电路元件的数值。，即可求出电路元件的数值。第71页，共109
21、页，编辑于2022年，星期二722.2.级间耦合网络级间耦合网络 多级功放中间级的一个很大问题是后级放大器的输多级功放中间级的一个很大问题是后级放大器的输入阻抗是变化的，是随激励电压的大小及管子本身的工作状入阻抗是变化的，是随激励电压的大小及管子本身的工作状态变化而变化的。态变化而变化的。这个变化反映到前级回路，会使前级放大器的工作状态这个变化反映到前级回路，会使前级放大器的工作状态发生变化。此时，若前级原来工作在欠压状态，则由于负载的发生变化。此时，若前级原来工作在欠压状态，则由于负载的变化，其输出电压将不稳定。变化，其输出电压将不稳定。对于中间级而言，最主要的是应该保证它的电压输出稳定对于
22、中间级而言，最主要的是应该保证它的电压输出稳定，以供给下级功放稳定的激励电压，而效率则降为次要问题。，以供给下级功放稳定的激励电压，而效率则降为次要问题。第72页，共109页，编辑于2022年，星期二73对于中间级应采取如下措施：对于中间级应采取如下措施：1)1)使中间级放大器工作于过压状态，使它近似为一个恒使中间级放大器工作于过压状态，使它近似为一个恒 压源。压源。2)2)降低级间耦合回路的效率。回路效率降低后，其本身降低级间耦合回路的效率。回路效率降低后，其本身 的损耗加大。这样下级输入阻抗的变化相对于回路本的损耗加大。这样下级输入阻抗的变化相对于回路本 身的损耗而言就不显得重要了。中间级
23、耦合回路的效身的损耗而言就不显得重要了。中间级耦合回路的效 率一般为率一般为 k k=0.1-0.5=0.1-0.5，平均在，平均在0.30.3上下。也就是说，中上下。也就是说，中 间级的输出功率应为后一级所需激励功率的间级的输出功率应为后一级所需激励功率的2-102-10倍。倍。第73页，共109页，编辑于2022年，星期二74 倍频器（倍频器（Frequency Doubler Frequency Doubler）是一种输出信号频率等于）是一种输出信号频率等于输入信号频率整数倍的电路，用以提高频率输入信号频率整数倍的电路，用以提高频率.第74页，共109页，编辑于2022年，星期二75 丙
24、类放大器的电流是脉冲状，所包含的谐波很丰富。如果使集丙类放大器的电流是脉冲状，所包含的谐波很丰富。如果使集电极回路不是谐振于基频，而是谐振于电极回路不是谐振于基频，而是谐振于 n n 次谐波，那么，回路对次谐波，那么，回路对基频和其他谐波的阻抗很小，而对基频和其他谐波的阻抗很小，而对 n n 次谐波的阻抗则达到最大，次谐波的阻抗则达到最大，且呈电阻性。于是回路的输出电压和功率就是且呈电阻性。于是回路的输出电压和功率就是 n n 次谐波。这就次谐波。这就起到了倍频作用。起到了倍频作用。晶体管倍频器有两种主要形式：一种是利用丙类放大器电流脉晶体管倍频器有两种主要形式：一种是利用丙类放大器电流脉冲中
25、的谐波来获得借频，叫做丙类倍频器；另一种是利用晶体管的冲中的谐波来获得借频，叫做丙类倍频器；另一种是利用晶体管的结电容随电压变化的非线性来获得倍频，这是半导体器件所特有的结电容随电压变化的非线性来获得倍频，这是半导体器件所特有的性质，可叫做参量倍频器。本节只对丙类倍频器进行研究。性质，可叫做参量倍频器。本节只对丙类倍频器进行研究。第75页，共109页，编辑于2022年，星期二76工作于二次谐波的倍频器各极电压与电流关系见图工作于二次谐波的倍频器各极电压与电流关系见图 第76页，共109页，编辑于2022年，星期二77瞬时集电极电压与瞬时基极电压的表示式可分别写成瞬时集电极电压与瞬时基极电压的表
26、示式可分别写成 n n 次谐波倍频器的输出功率正比于次谐波倍频器的输出功率正比于 n n 次谐波的分解系数次谐波的分解系数 。由余弦电流分解系数可知：。由余弦电流分解系数可知：第77页，共109页，编辑于2022年，星期二78因此为了使倍频器的输出功率最大，在因此为了使倍频器的输出功率最大，在 n n 2 2 时，时，应取应取 左右；在左右；在 n n 3 3 时，时，应取应取 左右。这时与左右。这时与 时的放大器输出功率相比较有时的放大器输出功率相比较有 这种倍频器所选用的这种倍频器所选用的 n n 值通常不超过值通常不超过 3 3 4 4，一般只取一般只取 2 2 3 3。第78页，共10
27、9页，编辑于2022年，星期二79甲、乙、丙类甲、乙、丙类 放大器的比较放大器的比较第79页，共109页，编辑于2022年，星期二80甲到乙到丙类是通过不断减小导通角甲到乙到丙类是通过不断减小导通角 c c，通过减少，通过减少i ic c的流通时间的流通时间(P Pc)c)，使，使。c c太小时太小时,虽高虽高,但但I Icm1,cm1,P Po o反而下降。反而下降。为提高为提高I Icm1cm1，必须，必须加大激励电压加大激励电压(太大会击穿管子太大会击穿管子)。丁丁(D)(D)类，戊类，戊(E)(E)类采用固定类采用固定 c c=90=90o o(Icm1(Icm1固定固定)，而尽量减小
28、，而尽量减小PcPc的方法，提高的方法，提高,即：管子工作于开关状态即：管子工作于开关状态导通时进入饱和区：导通时进入饱和区：v vc c=V=Vcesces,截止时进入截止区：截止时进入截止区：i ic c=0=0 使使PcPc大大减小大大减小,使使,理想时理想时接近接近100%100%。第80页，共109页，编辑于2022年，星期二81 晶体管丁类放大器都是由两个晶体管组成的，它们轮晶体管丁类放大器都是由两个晶体管组成的，它们轮流导电，来完成功率放大任务。控制晶体管工作于开关状流导电，来完成功率放大任务。控制晶体管工作于开关状态的激励电压波形可以是正弦波，也可以是方波。晶体管态的激励电压波
29、形可以是正弦波，也可以是方波。晶体管丁类放大器有两种类型的电路：一种是电流开关型，另一丁类放大器有两种类型的电路：一种是电流开关型，另一种是电压开关型。种是电压开关型。第81页，共109页，编辑于2022年，星期二82一、电流开关型电路一、电流开关型电路 工作原理：工作原理：主要波形主要波形第82页，共109页，编辑于2022年，星期二在在 中心点处的电压平均值等于电源电压中心点处的电压平均值等于电源电压 集电极回路两端交流电压的峰值为集电极回路两端交流电压的峰值为 它的均方根值为它的均方根值为 第83页，共109页，编辑于2022年，星期二84由此可见，晶体管的饱和压降由此可见，晶体管的饱和
30、压降 越小，越小，就越高。若就越高。若 0 0，则，则100 100。这是丁类放大器的主要优点。这是丁类放大器的主要优点。功率与效率功率与效率第84页，共109页，编辑于2022年，星期二85电压开关型丁类放大器电压开关型丁类放大器二、电压开关型电路二、电压开关型电路 第85页，共109页，编辑于2022年，星期二86 V VT T1 1和和V VT T2 2轮流导通、截止。轮流导通、截止。L L、C C、R R串联串联(电流电流)谐振，谐振于谐振，谐振于基波频率基波频率(选频选频)。工作波形工作波形第86页，共109页，编辑于2022年，星期二输出电压峰值为输出电压峰值为 第87页，共109
31、页，编辑于2022年，星期二电源供给的电流为半波正弦，因此集电极平均电流为电源供给的电流为半波正弦，因此集电极平均电流为 输出到谐振回路的交流功率为输出到谐振回路的交流功率为 直流输入功率直流输入功率因此集电极效率为因此集电极效率为 第88页，共109页，编辑于2022年，星期二集电极功率耗散为集电极功率耗散为 第89页，共109页，编辑于2022年，星期二90 以以LCLC谐振回路为输出电路的功率放大器，由于其相对通频带只有百分之谐振回路为输出电路的功率放大器，由于其相对通频带只有百分之几甚至千分之几，所以又称为窄带高频功率放大器。由于调谐系统复杂，窄几甚至千分之几，所以又称为窄带高频功率放
32、大器。由于调谐系统复杂，窄带功率放大器的运用就受到了很大的限制带功率放大器的运用就受到了很大的限制 。近近年年来来一一种种新新颖颖的的，能能够够在在很很宽宽的的波波段段内内实实现现不不调调谐谐工工作作的的宽宽频频带带功功率率放放大器得到了迅速的推广。大器得到了迅速的推广。宽带功率放大器，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。宽带功率放大器，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。它是以频率特性很宽的传输线变压器，代替了电阻、电容或电感线圈作为其输出电路它是以频率特性很宽的传输线变压器，代替了电阻、电容或电感线圈作为其输出电路 。宽频带功率放大器没有选频作用。因
33、此谐波的抑制成了一个重要的问题。宽频带功率放大器没有选频作用。因此谐波的抑制成了一个重要的问题。为此，放大管的工作状态就只能选在非线性畸变比较小的甲类或甲乙类状态，为此，放大管的工作状态就只能选在非线性畸变比较小的甲类或甲乙类状态，效率较低，也就是说宽频带放大器是以牺牲效率作为代价来换取宽频带输出效率较低，也就是说宽频带放大器是以牺牲效率作为代价来换取宽频带输出的的 。第90页，共109页，编辑于2022年，星期二911.1.普通变压器不能在较宽频内工作的原因普通变压器不能在较宽频内工作的原因 图图 (b)(b)中中L L、L Ls1s1、r r1 1是变压器初级绕组的电感、漏感和损耗电阻；是
34、变压器初级绕组的电感、漏感和损耗电阻；L Ls2s2、r r2 2 是折是折合到初级后，次级绕组的漏感和损耗电阻；合到初级后，次级绕组的漏感和损耗电阻；C C是变压器各分布电容折合到初级是变压器各分布电容折合到初级后的总和；后的总和；R RL L是折合到初级后的等效负载电阻。是折合到初级后的等效负载电阻。在高频端由于初级绕组电感的感抗很强，因此在高频端等效电路中可以认为电感在高频端由于初级绕组电感的感抗很强，因此在高频端等效电路中可以认为电感L L是开路，如图是开路，如图(c)(c)。在低频端，由于频率较低，各漏感和损耗电阻很小，也可略去不计，。在低频端，由于频率较低，各漏感和损耗电阻很小，也
35、可略去不计，可以认为电容可以认为电容C C开路，如图开路，如图 (d)(d)；(a)(a)原理电路原理电路(b)(b)等效电路等效电路(c)(c)高频端等效电路高频端等效电路(d)(d)低频端等效电路低频端等效电路(e)(e)频率响应曲线频率响应曲线u us sR Rs sR RL Lu uo oR Rs sR Rs sR Rs su us su us su us sr r1 1L Ls1s1L LL Ls2s2r r2 2C CR R L Lr rL Ls sL LC CR R L LR R L Lf fs sf fu uo o一般变压器的等效电路一般变压器的等效电路 可见工作频率越低，电感
36、可见工作频率越低，电感L L的旁路作用就越大，于是输出电压将随着工作频的旁路作用就越大，于是输出电压将随着工作频率的降低而下将。在高频端率的降低而下将。在高频端负载负载R R L L接在接在L Ls s和和C C组成的串联谐振回路容抗元件的两组成的串联谐振回路容抗元件的两端端，在串联谐振频率，在串联谐振频率f fs s的附近，负载两端的电压急剧增加，并在的附近，负载两端的电压急剧增加，并在f fs s上达到最大值。但上达到最大值。但是，偏离谐振频率是，偏离谐振频率f fs s，电压将急剧减小，电压将急剧减小 .传输线变压器传输线变压器第91页，共109页，编辑于2022年，星期二92为使变压器
37、工作于高频并展宽频带需采取的措施：为使变压器工作于高频并展宽频带需采取的措施：尽量减小线圈的漏感与分布电容；尽量减小线圈的漏感与分布电容；采取使用铁氧体磁心，匝数少，匝间距大采取使用铁氧体磁心，匝数少，匝间距大减小磁心的功率损耗；减小磁心的功率损耗；采用高频铁氧体磁心采用高频铁氧体磁心为展宽低频响应，初级线圈电感大。为展宽低频响应，初级线圈电感大。采用高导磁率磁心，加大环形磁心截面积、适当增采用高导磁率磁心，加大环形磁心截面积、适当增加匝数。加匝数。第92页，共109页，编辑于2022年，星期二93传输线变压器传输线变压器 解决普通变压器不能满足工作频率高、频带宽的矛盾。解决普通变压器不能满足
38、工作频率高、频带宽的矛盾。1.1.传输线变压器结构传输线变压器结构 用两根平行线绕在高用两根平行线绕在高导磁率的磁环上。导磁率的磁环上。第93页，共109页，编辑于2022年，星期二942.2.传输线变压器电路表示形式传输线变压器电路表示形式 低频端采用变压器的工作模式，高频端采用传输线模式，利低频端采用变压器的工作模式，高频端采用传输线模式，利用分布电容传输高频信号。用分布电容传输高频信号。第94页，共109页，编辑于2022年，星期二953.3.宽频带传输线变压器的工作原理宽频带传输线变压器的工作原理 传传输输线线变变压压器器与与普普通通变变压压器器在在传传输输能能量量的的方方式式上上是是
39、不不相相同同的的，传传输输线线变变压压器器负载两端的电压不是次级感应电压，而是传输线的终端电压。负载两端的电压不是次级感应电压，而是传输线的终端电压。两根导线紧靠在一起，所以导线任意长度处的线间电容很两根导线紧靠在一起，所以导线任意长度处的线间电容很大，且在整个线上均匀分布。其次，两根等长导线同时绕在高大，且在整个线上均匀分布。其次，两根等长导线同时绕在高磁导率磁芯上，所以导线上均匀分布的电感量也很大，这种电磁导率磁芯上，所以导线上均匀分布的电感量也很大，这种电路通常又叫分布参数电路。路通常又叫分布参数电路。u us su us su us sR RL LR RL LR RL LR Rs sR
40、 Rs sR Rs s(a)(a)结构示意图结构示意图(c)(c)普通变压器的原理电路普通变压器的原理电路(b)(b)原理电路图原理电路图u u1 1u u2 2u u1 1u u2 2u u1 1u u2 2 在传输线变压器中，线间的分布电容不影响高频能量的传输，电磁波以电磁能在传输线变压器中，线间的分布电容不影响高频能量的传输，电磁波以电磁能交换的形式在导线间介质中传播的。交换的形式在导线间介质中传播的。第95页，共109页，编辑于2022年，星期二96(1)1(1)1：1 1传输线变压器传输线变压器 4.4.常用传输线变压器分析常用传输线变压器分析 1 1：1 1传输线变压器，又叫倒相变
41、压器。当传输线无损时，可以认为传输线变压器，又叫倒相变压器。当传输线无损时，可以认为u u1 1=u u2 2和和i i1 1=i i2 2。u us sR RL LR Rs su u1 1u u2 2i i1 1i i2 2如果传输线的特性阻抗：如果传输线的特性阻抗：传输线输出端的等效阻抗为：传输线输出端的等效阻抗为：输入端（输入端（1 1、3 3端）的等效阻抗为端）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：为了实现信号源与传输线变压器的匹配，要求：1 1：1 1传输线变压器，最佳匹配状态应该满足
42、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：满足最佳功率传输条件的传输线特性阻抗为：1 1：1 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R RL L正好正好等于信号源内阻的情况是很少的。因此，等于信号源内阻的情况是很少的。因此，1 1：1 1传输线变压器很少用作阻抗匹配元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-平衡以及平衡平衡以及平衡-不平衡转换。不平衡转换。第96页，共109页，编辑于2022年，星期二97
43、u us sR Rs su us su us su us sR Rs sR Rs sR RL LR RL LR RL LR RL LR Rs su u1 1u u1 1u u2 2u u2 2i i2 2i i1 1i i1 1+i i2 2(2)1(2)1：4 4和和4 4：1 1传输线变压器传输线变压器 1 1：4 4传输线变压器是把负载阻抗降为传输线变压器是把负载阻抗降为1/41/4倍以便和信号源相匹配。在负载匹倍以便和信号源相匹配。在负载匹配的条件下，有配的条件下，有 u u1 1=u u2 2=u u和，和，i i1 1=i i2 2=i i 由由于于变变压压器器的的1 1端端与与4
44、 4端端相相连连，输输入入端端1 1端端与与3 3端端的的电电压压为为u u，负负载载R RL L上上的的电电压压为为u u1 1+u u2 2=2=2u u，输输入入端端1 1的的电电流为流为i i1 1+i i2 2=2=2i i，且，且u u1 1u u1 1u u2 2u u2 2i i2 22 2u ui i1 1i i1 1+i i2 2+2 2u u-i i传输线变压器的输入阻抗为传输线变压器的输入阻抗为 ：传输线变压器把负载传输线变压器把负载R RL L变换为变换为R RL L/4/4，实现了，实现了1 1：4 4的阻抗变换。的阻抗变换。如果把输入端和输出端对调就成为如果把输入
45、端和输出端对调就成为4 4：1 1传输线变压器。传输线变压器。4 4：1 1传输线变压器把负载阻传输线变压器把负载阻抗升高抗升高4 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 4：1 1的阻抗变换作用。的阻抗变换作用。i i第97页，共109页，编辑于2022年，星期二98在高频功率放大器中，当需要的输出功率超过单个电子器件在高频功率放大器中，当需要的输出功率超过单个电子器件所能输出的功率时，可以将几个电子器件的输出功率叠加起来，所能输出的功率时，可以将几个电子器件的输出功率叠加起来，以获得足够大的输出功率。这就是功率合成技术。以获
46、得足够大的输出功率。这就是功率合成技术。举例：举例：图图图图 5.9.2 5.9.2 5.9.2 5.9.2 功率合成器方框图示例功率合成器方框图示例功率合成器方框图示例功率合成器方框图示例.功率合成技术功率合成技术一、功率合成与分配网络应满足的条件一、功率合成与分配网络应满足的条件第98页，共109页，编辑于2022年，星期二99 一个理想的功率合成电路应该满足哪些条件呢一个理想的功率合成电路应该满足哪些条件呢一个理想的功率合成电路应该满足哪些条件呢一个理想的功率合成电路应该满足哪些条件呢?概括起概括起概括起概括起来，可以归纳为如下几条：来，可以归纳为如下几条：来，可以归纳为如下几条：来，可
47、以归纳为如下几条：)个同类型的放大器，它们的输出振幅相等，每个放个同类型的放大器，它们的输出振幅相等，每个放个同类型的放大器，它们的输出振幅相等，每个放个同类型的放大器，它们的输出振幅相等，每个放大器供给匹配负载以额定功率大器供给匹配负载以额定功率大器供给匹配负载以额定功率大器供给匹配负载以额定功率sosososo，则，则，则，则个放大器输至负载的总个放大器输至负载的总个放大器输至负载的总个放大器输至负载的总功率为功率为功率为功率为sosososo。这叫做功率相加条件。这叫做功率相加条件。这叫做功率相加条件。这叫做功率相加条件。）合成器的各单元放大电路彼此隔离，也就是说，任何）合成器的各单元放
48、大电路彼此隔离，也就是说，任何）合成器的各单元放大电路彼此隔离，也就是说，任何）合成器的各单元放大电路彼此隔离，也就是说，任何一个放大单元发生故障时，不影响其他放大单元的工作，这些一个放大单元发生故障时，不影响其他放大单元的工作，这些一个放大单元发生故障时，不影响其他放大单元的工作，这些一个放大单元发生故障时，不影响其他放大单元的工作，这些没有发生故障的放大器照旧向电路输出自己的额定输出功率没有发生故障的放大器照旧向电路输出自己的额定输出功率没有发生故障的放大器照旧向电路输出自己的额定输出功率没有发生故障的放大器照旧向电路输出自己的额定输出功率sosososo。这叫做。这叫做。这叫做。这叫做相
49、互无关相互无关相互无关相互无关条件。这是功率合成器的最主要条件。条件。这是功率合成器的最主要条件。条件。这是功率合成器的最主要条件。条件。这是功率合成器的最主要条件。第99页，共109页，编辑于2022年，星期二100图图图图 5.9.2 5.9.2 5.9.2 5.9.2 传输线变压器组成的网络传输线变压器组成的网络传输线变压器组成的网络传输线变压器组成的网络二、功率合成二、功率合成(或分配或分配)网络原理网络原理第100页，共109页，编辑于2022年，星期二101在分析时，应注意以下两点：在分析时，应注意以下两点：在分析时，应注意以下两点：在分析时，应注意以下两点：)根据传输线的原理，它
50、的两个线圈中对应点所通过的电流必定是大根据传输线的原理，它的两个线圈中对应点所通过的电流必定是大根据传输线的原理，它的两个线圈中对应点所通过的电流必定是大根据传输线的原理，它的两个线圈中对应点所通过的电流必定是大小相等、方向相反的。小相等、方向相反的。小相等、方向相反的。小相等、方向相反的。)在满足匹配条件，并略去传输线上的损耗时，变压器输入端与输出在满足匹配条件，并略去传输线上的损耗时，变压器输入端与输出在满足匹配条件，并略去传输线上的损耗时，变压器输入端与输出在满足匹配条件，并略去传输线上的损耗时，变压器输入端与输出端电压也应该是相等。端电压也应该是相等。端电压也应该是相等。端电压也应该是