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1、 综论高效率宽频带线性功率放大器 华 南 工 学 院 黄 贯 光 多年来在无线电发送设备中的高频功率放大器要求输出功率大 ， 效率高 ， 频带宽 ， 线性 好。 这些要求在技术上存在一些矛盾，如功率与效率之间的矛盾，带宽与线性之间的矛盾， 功率、 效率与线性之间的矛盾等等。要同时解决上述的矛盾，在技术上存在相当的困难 。 一 般是从电 路上、器件上或方案上，甚至系统上进行考虑，将上述矛盾统一起来，互相兼顾。 一 、向频功率放大器彳是向效率的方法 为了更好地论述高频功率放大器是如何提高效率的，首先让我们简单地回顾一下。我们 知道一个高频功率放大器提高效率的方法，通常是加强工作状态，并减少通角 0
2、。从计算可 知“ 甲类 ” 工作状态，通角 180%理想效率为 5 0 % , 当工作状态加强为 “ 乙类 ” 时，通角为 90, 理想效率为 78.5 涔，当工作状态为 “ 丙类 ” 时，通角小于 90，效率比乙类更高。由此可见， 加强工作状态，减少通角是高频功率放大器提高效率常常使用和行之有效的方法。但是实际 上不可能无限制地减小通角来提高效率。从发送设备的理论，我们已经知 道，效率 n 与波形 系数 1(0)有下列关系式 (1) 阳 压 利 用 系 数 因 为 V0)随着 0 的减小而增加，其极限值为 2,由（ 1)式可见， 当 1 = 1 时， 1! =100 涔。尽管如此，当 0 Z
3、 O 1 5 时，板流亦恒等于零，所以输出功 率亦等于零。这就初步揭露了嵩效率与火的输出功率之间的矛盾。这一矛盾表现在 9 选得越 小，则效率越髙，但输出功率越小。 由上述可见，企图尽量减小 0 来提高 T!，此路是走不通的，尽管在理论上存在这一矛盾， 但实际上情况还是相当好的 。 一 般高频功率放大器的 I 常取 0.9,而 0 常 取 70 60，则 1 (0) = 1.73 1.80， 由此得 11 =78 81 涔，这一效率，对丙类高频功率放大器是具有代表 性的。 二、 “ 丁类（ D)” 高频功率放大器 为了进一步提高效率，可以采用丁类工作状态。丁类放大器在 50 年代已经被提出来，
4、实 际 上在 40 年代的初期已经有人进行过不少的探索，直到 60 年代中期才慢慢得到实际的应用。 7 这主要是过去对超大功率的发射机没有迫切的 要求，晶体管高频功率放大器应用得也较少， 所以很少有人注意。 (一）单管 “ 丁类 ” 高频功率放大器 丙类工作状态和丁类工作状态选用的通角 e 基本相同，主要不同之处是：丙类的栅极激 励 电 压 和 阳 极 输 出 电 压 ua 都是余弦形波， 阳极电流込一般是余弦脉冲，而丁类的 u,和 则均为矩形波， ia 为矩形脉冲，把余弦形波 改为矩形波的好处是可以进一步提高效率。但 是大功率理想的高频脉冲是不易获得的，一般 的做法是在基波电压之外，再加上一
5、定份量的 三 次 谐 波 电 压 ， 使 变 为 近 似 的 矩 形 波 而込变为近似的矩形脉冲，如图 1 所示就可以 了。 图 1 丙类和丁类工作状态 理论计算和经验证明，三次谐波电压的振幅是基波振幅的 f 左右，就得到相当满意的 效果。效率一般可达到 90 穷左右。 丁类射频功率放大器电路与丙类基本相同，唯一不同之处是在栅极调谐电路和阳极调谐 电路之内分别串联入一谐振于三次谐波回路，如图 2 所示。图中乙 1、 01 和 12、 (： 2 分别代表栅 极 电路和阳极电路中调谐于基波的电路，而 1、 (： 3 和 1、 (： 4 则调谐于三次谐波。这样 1和 1； , 就分 别等 于 基波电
6、 压 认和三 次 谐波电 压 U3 之和 ， 当认 和 113 的相 位 合适时 ， 结果就 使 1； !7 和 11c 和 全 部 边 带 组 合 频 率 分 量 (m( cnQcoa)。由（ 7 ) 式 还 可 见 ， 在 脉 宽 调 制 系 统 中 ， 所 产 生 的 声 频 分 量是 原 信 号 )fl， 而 不 会 出 现 cofl 的 任 何 一次 谐 波 分 量。 亦即传统的失真 ， 在本系统中根本不存 在 。 当然频谱中的 c-ncoa 分量可能落入 低频通带之内， 而带来失 真 ，不过这一情况可以 通 过适当选择低通滤波 器 的截止频率和所用 的脉冲载 频 值来加 以防止。
7、脉冲宽度调制调幅发射机的调幅级和被调级示意图如图 6 所示。图中 Bq、 BG2 是射频 被 调 级 ， BG3 是调制级。输出的已被调宽的脉冲串，经过低通滤波器后得回原来的调制信号， 阻 尼二极管作为滤波器中电感的储能提供一个放电途径。 图 6 脉 宽 度 调 制 调 幅 发 射 机 的 调 幅 级 和 被 调 级 在这个系统中应当特别注意的是低通滤波器，它是整个调制系统中最关键部件之一，实 际 上是取代了旧式阳极调幅发射机的调幅变压器和调幅扼流圈。由（ 6 )式可见，在这个系 统中， 如果滤波器对脉冲载频及其谐波分量 mcoc 的衰减不足，它们就会漏过滤波器而对射 14 频 的 载 菠 行
8、 谪 制 ，因 而 产 生 iDmfc 的边带分量。当有声频信号 时，发射机的输出除了 正 常的调幅信号频率 f。、。 外，还会有其他的杂波分量。而杂波分量除了上述的 外，还会 有 foirmfcin L 等其他组合频率分量。虽然这些杂波分量大部分已被滤波器抑制掉， 但是乘 1 下的残余杂波仍然会对射频调制，在载波两旁距离 mf c &出现残波分量。称为残波幅 射所以 滤波器前设计是否良好，对发射机输出的质与量都起着关键性的作用。 般来说，最犬 的 残波（ fe mfc )幅射量，要求 比 载频 fo 分量小 6 dB。 如果滹波器设 计优良， :残波抑制可以达到 80dB 以上。 ：； 五、
9、 宽频带与线性放大器 放大器的频带宽度与线性过去主要决定于使用的负载回路及器件，随着时间的发展，发 射 机对高 k 功聿放大器的要求越来越高，既要輪出功率大，效率高，又要频带宽线性好，此 外译 蓉工作稳定，寿命长，这些指标在技术上是互 f 矛盾的，要完全满足上述要求是相当困 难的。 .加宽放大器 频带宽度的方法很多，、对小信号电压放大器来说比较容易处理，只要选择器 件 的工作频率满足要求的情况下，通过减低负载，采用宽频带补偿电路，加深负反馈等传统 的方 法，都收到很好的效果。但是对高频功率放大器来说，加宽频带则常常采用分布放大器 和宽频 带传输线变压器 -放大器，前者几十年来已广泛流行于电子管
10、放大器，后者则常用于 宽频带晶体 管放大器。 () 分布钕大器的宽频带特性 现在已做到从低频到几百兆赫频率范围 内 具有平坦的频率响应，而且它不受 一般放大器 带 宽 增益的限制。芬布放大器的基本电路如图 7 所示。 所请分希放欢盡就是利用一条输入仿真线将多个电子管栅极连接起来，另一条输出仿真 15 线将多个电子管的阳极连接起来。在这种方法中，电子管的输入和输出电容是不相加的。因 此， 可以克服多个电子管并联所带来命影响，但是管子的跨导可以无限制地相加，尽管每个 管子的 增益可能小于 1，但是仿真线上各节放大器相加后仍可以得到放大，所以分布放大器 又称相加 器。 设计分布放大器时，可以按下列的
11、近似式子来计算放大倍数 式中 A 为电压放大倍数， n 为电子管数目， S 为电子管跨导， Z 为阳极仿真线特性阻抗。 G =夺 S2Z0Z3 4 G 功率放大倍数， 23 栅极仿真线特性阻抗。 设计分布放大器的关键是制作两条理想的仿真线，为了使分布放大器工作在最佳工作犾 态，要求仿真线特性阻抗和电子管的最佳阻抗满足下列关系 R 最 佳 二 - R 最隹为电子管工作时确实的最佳阻抗， Z 仿真线的特性阻抗， n 电 子 数 。 ： ( 二 ） 宽频带晶体管功率放大器 在大功率、高频率、宽频带晶体管高频放大器领域内，最常使用的是宽频带传输线变压 器 来实现。利用宽频带传输线变压器可以较容易地实规
12、大功率、宽频带晶体管放大器功率合 成， 在较宽频带范围内不需要调谐及各放大单元之间的互相隔离，所以，近年来在波段晶体 管发射 机中应用十分广泛。 传输线变压器由于信号功率是通过传输线传输到负载上的，所以传输线变压器工作带宽 可 以近似地认为与传输线本身工作带宽相同。假定设计时传输线的线长较短，对高频传输线 来说， 一般可以近似地认为是无损耗的，即衰减常数 0 = 0,如果负载为纯电阻且与传输线的 特性阻抗 相匹配的情况下，这时传输线的特性阻抗 2c 为一与频率无关的纯电阻，在这种情况 下，不管 是什么频率的电压，电流其振幅均可以无衰减地在传输线上通过，而且传输线输入 端的输入阻 抗是一个常数，
13、等于传输线的特性阻抗。所以在匹靼情况下，只要电源的内阻与 电势振幅不变， 不管什么频率都以输入电阻的形式向电源取得的功率不变，并且这个功率又 无衰减地传输给负 载，因而负载的功率也将不变。也就是说，传输线的工作带宽是无限的。 但是实际上传输线变压器工作时，要做到阻抗完全匹配是很 不容易的，因此带宽受到一 定 的限制。 利用传输线变压器组成的宽频带晶体管高频功率放大器电路很多，既可组成单边电路， 又 可以组成同相功率合成电路，也可以组成反相功率合成电路。 典型的反相功率合成网络宽频带放大器，如图 8 所以。在图中 和凡是两个传输线变 压器 组成反相型合成网络作为放大器的输入电路，通过这个网络将输
14、入的单边信号转换成为 反相的 对称乎衡输出，每边的输出阻抗为输入阻抗的一半，再通过两个 4:1 阻抗变换的传输 线变压器 T 3 和 T ,将阻抗再降低 4 倍作为晶体管的输入端 9 16 输入信号经过 T 、 T z 、 T 3、 叭后 ， 不单只转换成反相的对称平衡输出 ， 而且总的阻抗 降 低了 8 倍 ， 由于这个网络的输出阻抗较低 ， 因此 ， 很方便与大功率晶体管的输入相匹配。 信 号 经 过 晶 体 管 放 大 后 ， 输 出 为 反 相 对 称 平 衡 信 号 ， 经 过 T 5、 T B 组成的反相型 合成网 络输出为单边信号，输出阻抗为输入阻抗的两倍，提高了输出阻抗，便于与
15、下级相 匹配。 反相型合成网络的输出阻抗一般来说比同相型合成网络的输出阻抗高 3 4 倍，这样不 单 止对放大器高频端的影响较小，而且便于与下级相匹配。另一方面偶次谐波小，减低了对 输出 滤波器的要求。 因 此，电路设计时，如果某级宽带放大器使用一对晶体管，一般都用反 相型合 成网络方式进行连接。 宽频带传输线变压器高频功率放大器，实际上已经达到相当高的指标，完全满足短波通 信 的要求。 ( 三 ） 高效率线性高频功率放大器 高效率线性高频功率放大器，近年来在发送设备中有了很大的发展，很多方法都是从整 体 方案来考虑的，为了更好地说明情况，首先让我们简单地回顾一下无线电发送设备的发展 情况。
16、无线电发射机首先从低电平的栅偏压调幅，已调波放大，发展到高电平的阳极调幅定型 下 来的。这个过程就是从整体方案上解决大功率、高效率和线性的矛盾的典型例子。因为栅 偏压 调幅、已调波放大，不单只输出功率小，效率低，而且非线性失真大。解决这个矛盾的 办法是 采用末级阳极调制，这样末前各级都是等幅的载波放大，根本不存在已调波放大失真 问题，而 且高频各级都可以选用效率较高的丙类工作状态，从而解决了输出功率大，效率 高，线性好的 矛盾。 但是这种高电平调制方案，过去在单边带发射机中是不能采用的 D 为了实 现高 效 率线性 功 率放大，发射机方案近年来有了很大的发展，如包络消失和恢复方案，射频脉冲宽度
17、调制 方案， 包络负反馈方案等。第一种方案的基本思想是把已调信号分成振幅成分和相位成分， 17 分别进行处理，然后在输出再把两个成分按原来的相位关系组合出原来信号。第二种方案是 调 制信号直接对射频进行脉冲宽度调制。这些方案部是针对高效率线性功率放大而设计的。 其中 以包络消失和恢复方案实际上应用得比较成功。 单边带发射机利用包络消失和恢复方案达到高效率线性功率放大的方法如图 9 所示。 在 图中，调制信号首先送入单边带发生器，输出为两路已调单边信号，这个过程和普通 图 9 包 络 消 失 和 恢 复 方 案 单边带发射机一样是低电平制，如果通过线性放火器将振幅和功率效大，这就是普通的单边 带
18、 发射机。但是线性放大器的效率较低，失真较大。 包络消失和恢复的方案，就是在这个基础上将输出的两路单边带信号分别进行处理。高 频 通路进入限幅器除去调幅成分，输出为等幅的相位调制波。以后就可以采用各种高效率射 频放 大器加以放大，保证射频通路是高效率的。低频通道进入包络检波器检出调幅成分，再 进行第 二次低电平的脉冲宽度调制。调宽后再用开关工作状态的脉冲放大器加以放大，这样 就保证了 低频通路具有足够高的效率。脉宽调制器输出 的一连串已被调宽的脉冲，经过低通 滤波器滤掉 谐波分量和组合频率分量，得回随包络变化的调幅电压，再对射频功率放大器进行 第三次高电 平调幅。由于射频功率放大器放大的是等幅
19、的调相波，受到幅度调制后，就恢复 完来的包络， 输出得到保持原来幅度和相位和信息的单边带信号。整个过程不单止保证了高 效率放大，而且 传统的失真也不存在，达到了高效率线性放大的目的。这是一种将低电平调 制发展为高电平调 制，从而避开已调波放大产生的低效率和失真，保证高效率、线性放大。 这个方案国外已有成 功的例子，国内 1907 所已做了很 多工作。 此外也有将高电平改变低电平调制的典型例子，如过去的黑白电视发射机大多数都是采 用 高电平的末级栅偏压调幅，这种调制方式，如前述效率低失真大，为了减小被调级对前级 的影 响（如载波跌落和反调制等），常在被调级栅路加入一个吸收电阻，因此，效率就更 低
20、了。 近年来由于频率高、功率增益大、频带宽、线性好、寿命长的金属陶瓷四极管和固态组 体 的发展，促成了电视发射机从高电平的末级栅调，改为前级低电平的中频调制，这种新型 低电 平调制不单是在低电乎进行，而且也是在低频进行。由于使用固态组件调幅器和混频 18 器，因此对抑制不要杂散频率极为有效，其线性程度亦极为良好，至于功率的提高则完全靠 放 大器来解决。这是从高电平调制发展为低电平调制的一个典型的方案。这种调制方式国内 外大 功率电视发射机广为采用，原来的高电平调制方式渐被淘汰。 由上面讨论可见，某一个时期某一种调制方式非常流行（如电视发射机，过去无例外的 采 用末级高电平栅调，单边带发射机采用
21、前级低电平调制），一个时期以后，由于新器件， 新方 案等发展，旧的方案慢慢过时被淘汰了（如现在的电视发射机，广泛采用中频调制。移 动式单 边带发射机有趋向使用包络消失和恢复方案等）。 六、总 结 输出功率大，效率高，频带宽，线性好的高频功率放大器，从原理上来说完全可行 *实 际 上也可以做得到。选择器件，电路和方案时，应注意下列要求： (1 )选择器件时，要求输出功率大，频率高（ fT 一般都应大于 1倍最高工作频率）， 线 性好，开关时间短。 (2)为了提高效率，高频放大器的工作状态可以选用开关模式丁类放大器，如使用脉 宽调 制，低频放大器可以选用开关工作状态的脉冲放大器。 (3 )频带的加宽，在器件满足频率要求的情况下，主要决定于 负载回路。晶体管放大 器可 以选用宽频带传输线变压器作为负载，电子管放大器可以采用分布放太器。 (4)线性的获得，决定于器件，但更主要的决定于调制方案的选择。移动式单边带发 射机 开始趋向采用包络消失和恢复方案，调幅广播发射机国内外流行脉冲宽度调制调幅方 案，电视 发射机国内外都广泛地使用中频调制。 本文写作过程中，曾征求华南工学院无线电系，无线电技术教研组简伯卿、黄兆源、丘 水 生同志的意见， 1907 研究所第一研究室曾海元同志对本文部分内容曾提出过宝贵的意见。 并经 华南工学院、无线电系主任徐秉铮教授审 阅，此致感谢（参考资料略）。