宽带高频功率放大器
高频功率放大器主要特点和应用
3.2.1 谐振功率放大器的工作状态
前面所知，功率放大器的工作状态是根据晶体管的导通角的大小， 即晶体管进入截止区的时间长短，来区分功率放大器为甲类、乙类、丙 类等工作状态的。
注意，这种区分是在放大器的负载为纯电阻的情况下分析的。但丙 类谐振功率放大器的负载是谐振回路。其工作状态是怎样的？
根据晶体管在输入信号的一个周期内是否进入饱和区，将 放大器的工作状态分为欠压、过压和临界三种工作状态。
欠压状态：指晶体管在任何时刻都工作在放大状态。
过压状态：指晶体管工作时有部分时间进入饱和区。
临界状态：指晶体管刚刚进入饱和区的边缘。
放大器的这三种状态：主要取决于电源电压、偏置电压、 激励电压幅度和负载电阻。也就是说它的外部参数不同，谐振 功率放大器就处于不同的工作状态。见下图
第2章 高频选频放大器
高频功率放大器主要特点和应用
高频功率放大器主要用来对高频信号进行功率放大。它主要分有： 窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器。
*窄带高频功率放大器是以LC谐振回路为负载的功率放大器。又称 为谐振功率放大器。其主要特点：
1、用在发射设备中。 2、对高频已调波（窄带信号）的功率放大。 3、放大器工作在丙类。 **宽带高频功率放大器是以传输线变压器为负载的功率放大器。
回路的谐振电阻 Re 变化的特性，称为放大器的负载特性。
iC
iC
iC
iC
Re
t
图3.2.2
IC0 Ic1m Vcm
Vcm Ic1m IC0
Re
欠压 临界 过压
见书P57图3.1.2
3.1.2 余弦电流脉冲的分解
我们知道，在低频功率放大器中，在已知电源电压条件下，如已 知负载电阻，就可作出负载线。
超高频大功率宽带功率放大器
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频率带宽 500kHz-10MHz 500kHz-10MHz 500kHz-8MHz
尺寸 19 英寸 2U 19 英寸 3U 19 英寸 4U
1000W 超高频大功率宽带放大器
连续输出功率 脉冲输出功率 输出电压
500W
1000W
158V/224V
频率带宽 500kHz-6MHz
尺寸 19 英寸 6U
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高频功率放大器的基本原理(一)
高频功率放大器的基本原理(一)高频功率放大器的基本原理1. 什么是高频功率放大器高频功率放大器是一种用于增强高频信号幅度的电子设备。
它通常用于无线通信、雷达、高频电视和天线系统等领域。
高频功率放大器可以将低功率的高频信号放大到足够大的功率，以便传输和处理。
2. 高频功率放大器的工作原理高频功率放大器的工作原理可以简单分为三个步骤：放大输入信号、增加信号的功率和输出放大后的信号。
2.1 放大输入信号高频功率放大器的第一个任务是放大输入信号。
它通常使用晶体三极管（BJT）或场效应晶体管（FET）作为放大器的关键元件。
这些元件根据输入信号的幅度和频率变化进行放大操作。
2.2 增加信号的功率放大后的信号仍然可能是低功率的，因此高频功率放大器的下一个任务是增加信号的功率。
这一步骤通常通过使用功率放大器级联来实现。
级联多个放大器可以将信号功率从较低级别逐步增加到所需的功率级别。
2.3 输出信号在增加信号的功率之后，高频功率放大器将输出放大后的信号。
这个信号可以被用于进一步的处理或传输。
输出信号的幅度将取决于放大器的设计和配置。
3. 高频功率放大器的关键考虑因素在设计高频功率放大器时，需要考虑一些关键因素来确保性能和稳定性。
3.1 频率响应高频功率放大器应该能够在指定的频率范围内提供稳定的放大。
对于不同的应用，频率范围和响应要求会有所不同。
3.2 功率输出高频功率放大器应该能够提供足够的功率输出，以满足特定应用的需求。
功率输出的大小通常由设备和系统的要求来确定。
3.3 效率高频功率放大器的效率是指输入功率与输出功率之间的比率。
高效率的放大器能够最大限度地利用输入能量，减少能量浪费。
3.4 线性度高频功率放大器的线性度是指输出信号与输入信号之间的线性关系。
较好的线性度可以保持输入信号的准确度和完整性。
3.5 稳定性高频功率放大器的稳定性是指在各种工作条件下保持良好的性能。
它应该能够在不出现振荡或失真的情况下工作。
高频功率放大器简介
高频功率放大器简介
高频功率放大器，又称射频功率放大器，是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。
高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。
高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。
按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。
高频功率放大器大多工作于丙类。
但丙类放大器的电流波形失真太大，因而只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。
由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。
一、高频放大器的特点
1. 采用谐振网络作负载。
2. 一般工作在丙类或乙类状态。
3. 工作频率和相对通频带相差很大。
4. 技术指标要求输出功率大、效率高。
二、高频功率放大器的技术指标
主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度（或信号失真度）等。
这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。
高频功率放大器
3.1 谐振功率放大器
(2)晶体管输出电流、电压波形
当基极输入一余弦高频信号ui=ubm cos( ωt)时，基极与发 射极之间的电压为
(3. 1)
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3.1 谐振功率放大器
其波形如图3一3(a)所示，当ube的瞬时值大于晶体管的导通电 压UBZ时，晶体管导通，产生基极脉冲电流，由转移特性可 得集电极流过的电流或也为脉冲波形，如图3一3 (b)所示。将
下一页 返回
3.1 谐振功率放大器
2.工作原理 谐振高频功率放大器的发射结在UBB的作用下处于负偏压
状态，当无输入信号电压时，晶体管处于截止状态，集电极 电流ic = 0。当输入信号为ui=ubm cos( ωt)时，基极与发射极 之间的电压为ube =UBB +ubm cos(ω t )。为分析电路的工作波 形，先对晶体管的特性曲线进行折线化处理，处理后分析与 计算大大简化，但误差也大，所以实际电路工作时需要调整。
流电阻很小，也可近似认为短路。这样，脉冲形状的集电极
电流ic经谐振回路时，只有基波电流才产生电压降，因而LC 谐振回路两端输出不失真的高频信号电压uc。
(3. 3)
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3.1 谐振功率放大器
式中Ucm=ReIc1m，为基波电压幅度，所以晶体管的输出电 压为
其波形如图3一3(c)所示。
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3.1 谐振功率放大器
(1)特性曲线的折线化 对高频谐振功率放大器进行精确计算是十分困难的，为了
研究谐振功率放大器的输出功率、管耗、效率，并指出一个 大概的变化规律，可采用近似估算的方法，即对特性曲线进 行折线化处理:忽略高频效应，晶体管按照低频特性分析;忽 略基区宽变效应，输出特性水平、平行且等间隔，如图3-2 (a) 所示;忽略管子结电容和载流子基区渡跃时间;忽略穿透电流， 截止区ICEO = 0。
高频功率放大器
《高频电子线路》在无线通信中的应用——高频功率放大器高频功率放大器是通信系统中发送设备的重要组成部分。
在无线通信的射频系统中，处理的都是小信号，因此需要对信号进行放大处理，为了获得大功率高频信号，必须采用高频功率放大器。
高频放大器按工作频率的带宽，可以分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器。
窄带高频功率放大器以LC并联谐振回路作负载又称谐振功率放大器。
宽带高频功率放大器以传输线变压器为负载，又称非谐振功率放大器。
高频功率放大器放大高频正弦信号或高频已调波（窄带）信号，也可以用于发射机的末极，将高频已调信号进行功率放大，满足发送功率的要求，然后经天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。
高频功率放大器的主要功能是用小功率的高频输入信号控制高频功率放大器将直流电源的能量转化为大功率高频能量输出，主要用于各种无线电发送设备中，要求输出功率大和效率高。
高频功率放大器采用谐振回路作负载，解决了大功率放大时的效率、失真、阻抗变换等问题。
高频功率放大器有源器件有晶体管和真空管，分为甲、乙、甲乙、丙、丁戊几类，高频功率放大器通常工作于丙类，下面主要介绍丙类谐振功率放大器。
对功率放大器，在大信号条件下，丙类工作状态可获得较大功率、较高效率；用谐振回路做负载可以使输出波形不失真。
谐振功率放大器的集电极负载是一个高品质因素的LC并联振荡回路，如果选取谐振角频率ω0等于输入信号的角频率ω，那么，尽管在集电极电流脉冲中含有丰富的高次谐波分量，但由于并联谐振回路的选频滤波作用，振荡回路两端的电压可近似认为只有基波电压。
高频功率放大器的主要参数：PD=Vcc*IC0=直流电源供给的直流功率PO=1/2(Vcm*Ic1m)=交流输出信号功率PC=PD-PO=集电极耗散功率集电极效率ηC=PO/PD PD=PO+PC1.丙类谐振功率放大器工作原理丙类谐振功率放大器原理电路2.丙谐振功率放大器的电路组成主要器件：晶体管，直流电源，偏置电阻，电容，电感。
简述高频功率放大器的特点
简述高频功率放大器的特点高频功率放大器是一种电子设备，它具有放大高频信号的功能。
高频信号是指信号频率在1MHz以上的信号，高频功率放大器主要用于无线电通信、雷达、医学设备和工业加热等领域。
它具有以下特点：1.高效率：高频功率放大器通常使用功率放大管作为放大器核心，这些管子具有高效率的特点。
在高频信号下，功率放大管的效率可以达到60%以上，这意味着大部分的输入功率都能转化为输出功率，从而实现高效率的功率放大。
2.高线性：高频功率放大器要求在放大高频信号时，输出信号要与输入信号保持一致。
这就要求功率放大器具有高线性度，即输出信号随着输入信号的变化而变化，而不会出现非线性失真。
3.高稳定性：在高频信号下，功率放大器的稳定性尤为重要。
任何微小的变化都可能导致输出信号的失真。
因此，高频功率放大器通常采用恒定电流源或者负反馈电路来提高稳定性。
4.高功率密度：高频功率放大器需要在小体积内实现高功率输出，因此需要具有高功率密度。
这要求功率放大器的散热和结构设计都要优化，以实现高功率密度。
5.宽带：高频功率放大器需要能够放大多种频率的信号，因此需要具有宽带特性。
这就要求功率放大器的带宽尽可能宽，能够放大从几百kHz到几GHz的信号。
在中心扩展下，高频功率放大器的应用领域不断扩大。
例如，在无线电通信领域，高频功率放大器可以用于增强信号的传输距离和穿透能力；在雷达领域，高频功率放大器可以用于增强信号的探测能力和精度；在医学设备领域，高频功率放大器可以用于磁共振成像等应用；在工业加热领域，高频功率放大器可以用于快速加热和热处理等应用。
总的来说，高频功率放大器具有高效率、高线性、高稳定性、高功率密度和宽带等特点。
随着应用领域的扩大，高频功率放大器的需求也会越来越高，未来有望在更广泛的领域得到应用。
高频功率放大器(1)
iC =IC0+Ic1mcosωt+Ic2mcos2ωt+…
第3章 高频功率放大器
3.1 谐振功率放大器工作原理 3.2 谐振功率放大器的性能分析 3.3 谐振功率放大器电路 3.4 高频功率放大器
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概述
高频谐振功率放大器用于各种无线电发送设备中， 对高频载波或高频已调波进行功率放大。
顾名思义,高频功率放大器用于放大高频信号并获得足 够大的输出功率,常又称为射频功率放大器。 它广泛用于发射机、高频加热装置和微波功率源等电 子设备中。
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1、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。
2、高频功率放大器的分类
窄带高频功率放大器：以谐振回路为负载，所以又称 谐振功率放大器
宽带高频功率放大器：采用非选频性负载，如传输线 变压器或其他宽带匹配电路
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3.谐振功率放大器的特点
1.采用谐振网络作负载。 2.一般工作在丙类或乙类状态。 3.工作频率和相对通频带相差很大。
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6
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小信号谐振放大器 波形图
ห้องสมุดไป่ตู้ic
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谐振功率放大器 波形图
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6.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，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放
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5.4 宽带高频功率放大器
以LC谐振回路为输出电路的功率放大器，因其相对通频带只有百分之几甚至千分之几，因此又称为窄带高频功率放大器。
这种放大器比较适用于固定频率或频率变换范围较小的高频设备，如专用的通讯机、微波激励源等。
除了LC谐振回路以外，常用于高频功放电路负载还有普通变压器和传输线变压器两类。
这种以非谐振网络构成的放大器能够在很宽的波段内工作且不需调谐，称之为宽带高频功率放大器。
以高频变压器作为负载的功率放大器最高工作频率可达几百千赫至十几兆赫，但当工作频率更高时，由于线圈漏感和匝间分布电容的作用，其输出功率将急剧下将，这不符合高频电路的要求，因此很少使用。
以传输线变压器作为负载的功率放大器，上限频率可以达到几百兆赫乃至上千兆赫，它特别适合要求频率相对变化范围较大和要求迅速更换频率的发射机，而且改变工作频率时不需要对功放电路重新调谐。
本节重点分析传输线变压器的工作原理，并介绍其主要应用。
5.4.1 传输线变压器
1. 传输线变压器的结构及工作原理
传输线变压器是将传输线（双绞线、带状线、或同轴线）绕在高导磁率铁氧体的磁环上构成的。
如图5-24（a）所示为1:1传输线变压器的结构示意图。
传输线变压器是基于传输线原理和变压器原理二者相结合而产生的一种耦合元件，它是以传输线方式和变压器方式同时进行能量传输。
对于输入信号的高频频率分量是以传输线方式为主进行能量传输的；对于输入信号的低频频率分量是以变压器方式为主，频率愈低，变压器方式愈突出。
如图5-24(b)为传输线方式的工作原理图，图中，信号电压从1、3端输入，经传输线
R上。
如果信号的波长与传输线的长度相比拟，变压器的传输，在2、4端将能量传到负载
L
两根导线固有的分布电感和相互间的分布电容就构成了传输线的分布参数等效电路，如图
5-24(d)所示。
若认为分布参数为理想参数，信号源的功率全部被负载所吸收，而且信号的上限频率将不受漏感、分布电容及高导磁率磁芯的限制，可以达到很高。
图5-24 1:1传输线变压器的结构示意图及等效电路
在以变压器方式工作时，信号电压从1、2端输入，3、4端输出。
如图5-24 (c)所示为变压器方式的工作原理图。
由于输入、输出线圈长度相同，由图5-24（c ）可知，这是一个1:1的倒相变压器。
由上分析可见，传输线变压器具有良好的宽频带特性。
2. 传输线变压器的应用
上面我们对传输线变压器的结构及工作原理做了分析和讨论，下面介绍几种常用的传输线变压器，按照变压器的工作方式，传输线变压器常用作极性变换，平衡－不平衡变换和阻抗变换等。
（1）极性变换
传输线变压器作极性变换电路，就是前面提到的1:1的倒相传输线变压器,如图5-24 (c)所示。
在信号源的作用下，初级绕组1、2端有电压1U , 其极性1端为正，2端为负；在1U 的作用下，通过电磁感应，在变压器次级3、4端产生电压2U ，且1U ＝2U ，极性为3端为正，4端为负。
由于3端接地，所以负载电阻L R 上的电压与3、4端电压2U 的极性相反，即实现了倒相作用。
（2）平衡－不平衡变换
如图4.26是传输线用作平衡－不平衡变换电路。
图5-25（a ）为平衡输入变换为不平衡输出电路。
输入端两个信号源的电压和内阻均相等，分别接在地线的两旁，称这种接法为平衡。
输出端负载只是单端接地，称为不平衡。
图5-25（b ）为不平衡输入变换为平衡输出电路。
（3）阻抗变换
为了使放大器阻抗匹配，传输线变压器必须具有阻抗变换作用。
由于传输线变压器的结构的特殊性，它不能象普通变压器那样，依靠改变初、次级绕组的匝数比可以实现任何阻抗比的变换，而只能完成某些特定阻抗比的变换，如4:1、9:1、16:1等，或1: 4、1: 9、1: 16
等。
所谓4:1，是指传输线变压器的输入电阻i R 是负载电阻L R 的四倍，,即i R =4L R ；而i
R 图5-25
平衡－不平衡变换电
＝L R /4，则称为1: 4的阻抗变换。
图5-26（a ）、(b)分别为4:1和1: 4的传输线变压器的阻抗变换电路，图5-26（c ）、(d)分别为与其相应的普通变压器形式的等效电路。
下面简要分析4:1阻抗变换原理。
由图5-26（a ）、(c)可知，若负载电阻上的电压为U ,流过的电流为2I ；则信号源的端电压为2U ，流出的电流为I ，信号源两端的输入阻抗i R 以及传输线变压器的特性阻抗C Z 分别为：
2442i L U U R R I I
=
== （5-27） 222C L U U Z R I I === （5-28） 可见，输入阻抗为负载的四倍，即实现了4:1阻抗变换。
为了说明传输线变压器在放大器中应用，图5-27给出了一个两级宽带高频功率放大器电路。
其中1T 、2T 和3T 均为4:1阻抗变换传输线变压器，1T 和2T 串联后作为第一级功放的输出匹配网络，总阻抗比为16:1；实现第一级功放的高输出阻抗与第二级低输入阻抗之间匹配；第二级功放输出与负载天线（50Ω）采用4:1阻抗变换传输线变压器，实现第二级功放输出与负载天线之间的匹配。
图5-26 4:1和1:4传输线变压器变换电路
图5-27 两级宽带高频功率放大器电路
5.4.2 功率合成电路
目前，由于技术上的原因，单个高频晶体管的输出功率一般只限于几十瓦至几百瓦。
当需要更大的输出功率时，目前广泛应用的方法就是采用功率合成电路。
所谓功率合成电路，就是利用多个高频晶体管同时对输入信号进行放大，然后将各功放输出的功率在一个公共负载上相加。
如图5-28所示为常用的一种功率合成电路组成方框图。
图中除信号源和负载外，还采用了两种基本组件：一种是用三角形表示的晶体管功率放大器；另一种是用菱形表示的功率分配与合成电路。
其中的分配与合成电路，就是利用前面介绍的传输线变压器构成的混合网络。
图中虚线方框中所示为功率合成器的基本组成单元。
图5-29为功率合成电路基本单元的一种线路，称为同相合成器。
图中1r T 是功率分配网络，它的作用是将信号源输入的功率平均分配，供给A 、B 端同相激励功率。
1r T 是功率合成网络，它的作用是将晶体管输出至A ‘
、B 两端同相功率合成供给负载。
当1V 、2V 两晶体管输入电阻相等时，有A U = B U =1U ，而1224d A B S R R R R ===。
正常工作时，两管输出电压相同，且等于负载电压，即A U = B U =L U ，由于负载上的电流加倍，故负载上的功率是两管输出功率之和，即11(2)22
L A c P U I P =⨯=, 此时平衡电阻上无损耗功率。
图5-28 功率合成电路原理方框图
图5-30 反向功率合成电路
当两个晶体管因各种因素造成输出电压变化而不平衡时，相当于图5-29（b ）等效电路中B U 和'B R 发生变化。
根据传输线变压器原理，'A U 由A U 产生，'B U 由 B U 产生，'B U 变化不会引起'A U 的变化。
当'B U ＝0时，负载电流减半，功率则减小为原来的1/4，1V 管输
出的另一半功率消耗在平衡电阻d R 上。
这样即使一管损坏，负载功率下降为原来的1/4，但另一管仍能正常工作，这时晶体管并联工作无法实现的。
图5-30所示为反向功率合成电路原理图。
图中，T r1为功率分配网络，T r2为功率合成网络。
这种电路的工作原理与推挽功率放大器类似。
其工作原理留给读者自己分析。
图5-29 同相功率合成电路
（a ）原理图 （b ）等效电路。