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,不能適應現(xiàn)代通信發(fā)展的要求。對于要求工作于多個頻道,快速換頻的發(fā)射機;電子對抗系統(tǒng)中有快速跳頻技術(shù)要求的發(fā)射機;多頻道頻率合成器構(gòu)成的發(fā)射機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)在高頻放大中的應用非常重要。寬頻帶高頻功率放大器的頻帶可以覆蓋整個發(fā)射機工作頻率范圍,所以在發(fā)射機變換工作頻率時不需要進行調(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、輸出或級間耦合電路 ,并實現(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、高導磁率的鐵氧體材料作為磁芯 ,用相互絕緣的雙導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,以鎳鋅材料為宜。這種變壓器的結(jié)構(gòu)簡單、輕便、價廉、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,它是將兩根等長的導線緊靠在一起,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于一個倒相器。實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。對于普通變壓器來說 ,信號電壓加于初級繞組的1、2端,使初級線圈有電流流過,然后通過磁力線,在次級3、4端感應出相應的交變電壓，將能量由初級傳遞到次級負載上。而傳輸線方式的信號電壓卻加于1、3端，能量在兩導線間的介質(zhì)中傳播,自輸入端到達輸出端的負載上。
對于傳輸線來說 ,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。電感為導線ΔL的電感量，電容為兩導線間的分布電容。
當信號源加入 1、3端時，由于傳輸線間電容的存在，信號源對電,容充電，使電容儲存電場能。電容通過臨近電感放電，使電感儲存磁場能。即電場能轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌瞿堋Ｈ缓箅姼杏窒蚝竺娴碾娙葸M行能量交換，磁場能轉(zhuǎn)換成電場能。再往后電容又與后面的電感進行能量交換,如此往復下去。輸入信號就以電磁能交換的形式,自始端傳輸?shù)浇K端,最后被負載吸收。
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，電磁波主要是在導線間介質(zhì)中傳播的，因此磁芯的損耗對信號傳輸?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，從而實現(xiàn)寬頻帶傳輸?shù)哪康?。嚴格地說,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,主要通過電磁能變替變換的傳輸方式傳送。在低頻時,將同時通過傳輸線方式和磁耦合方式進行傳送。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,當傳輸線為無損耗傳輸線,旦負載阻抗RL等于傳輸線特性阻抗Zc時,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,t為傳輸線的長度。如果傳輸線的長度取得很短,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,則負載R L 上獲得一個與輸入端幅度相等、相位相反的電壓,即
U L =-U I
由電路圖可以看出 ,實現(xiàn)變壓器與福在匹配的條件是
Zc=R L ,
實現(xiàn)信號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這個傳輸線變壓器相當于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)傳送高頻能量和實現(xiàn)放大器與放大器的阻抗匹配或?qū)崿F(xiàn)放大器與負載之間的阻抗匹配。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。電路每一級都采用了電壓負反饋電路,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電容并聯(lián)組成,分別對不同的頻率濾波。由于沒有采用調(diào)諧回路,這種放大器應工作于甲類狀態(tài)。對于輸初級采用乙類推挽電路,以提高效率。
這個電路的工作頻率范圍為 (2-30)MHZ,輸出功率為6OW。根據(jù)負載為50Ω,經(jīng)B3的4:1阻抗變換,T2的集電極負載就為200Ω,由于工作于大功率狀態(tài),其輸入電阻為12Ω左右,且會隨輸入信號大小變化。為了減小輸入阻抗變化對前級放大器的影響,在T2的輸入端并接了一個12Ω的電阻,使總的輸入電阻變成為6Ω,經(jīng)16:1阻抗變換,Tl的集電極負載為96Ω。
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