高频功率放大器课程设计报告书

目录1 .概述及基本原理 (1)2.方案及各部分设计原理分析 (2)2.1整体介绍 (2)2.2原理分析 (2)2.3具体分析 (3)3.参数的计算和选择 (4)3.1功率放大器输出功率的计算分析 (4)3.2谐振回路的计算分析 (5)3.3放大管栅极和板极的电流电压关系 (6)3.4高频功率放大器的能量关系 (8)3.5发射管的工作状态 (9)4.仿真结果及分析总结 (10)5.心得体会 (13)6.参考文献 (14)1 .概述及基本原理高频功率放大器是对载波信号或高频信号进行功率放大的电路。

利用选频网络作为负载回路的功率放大器成为谐振功率放大器。

随着现代通信技术的日益发展高频放大应用的领域也越来越广。

在某些场合高频放大技术的高低成为制约本领域技术发展的关键所在。

比如射频手机和高频信号收发机等，都需要用到高频功率放大器，并且作为一项非常重要的技术攻关项目。

特别是移动电话机中高频功率放大器品质的高低直接影响其产品的技术指标。

所以本次课程设计我选择高频功谐振率放大器。

如图1-1所示为高频功放基本原理图，图中，高频扼流圈提供直流通路，C1为隔直流电容，谐振回路分别为输入和输出滤波匹配网络。

其中天线等效阻抗，作为输出负载。

与非谐振功放比较，它们都要求安全高效地输出足够大的不失真功率，但有一些区别。

图1-1高频功放基本原理图谐振式高频功率放大器的特点是：①为了提高效率，放大器常工作于丙类状态，晶体管发射结为反向偏置，由E b（V BB）来保证，流过晶体管的电流为余弦脉冲波形；②负载为谐振回路，除了确保从电流脉冲波中取出基波分量，获得正弦电压波形外，还能实现放大器的阻抗匹配。

2.方案及各部分设计原理分析2.1整体介绍基本部分组成，即电子管、谐振回路和电源。

电子管在放大器中起着把直流能量转换为交流能量的作用；谐振回路是电子管的负载；电源供给电子管各电极电压，它们共同保证电子管的正常工作。

放大器有两个主要电路：板极电路和栅极电路。

板极电路包括并联振荡回路和直流板极电压Ea 的馈电电路。

振荡回路由电感L1、电容C1和电阻r组成。

电路中C1'为高频旁路电容，L1'为高频阻流圈。

在栅极电路中加入直流偏压Eg，一般Ea 为负值。

电路中C2'和L2'分别是栅极回路的高频旁路电容和高频阻流圈。

2.2原理分析知道前级送来的高频激励电压为u g=U g cosωt它加在栅极与阴极之间。

其中，u g是激励电压的瞬时值，U g是激励电压的振幅值，ω＝2πf是激励电压的角频率，f是激励电压的频率。

当电路接好并将各电极电压加上时，则在板极电路中就会出现受到栅极电压控制的板流脉冲，脉冲波形如图3-1所示。

i a是周期性函数，由数学知识可知，它可用傅氏级数来表示，即i a=I a0+I a1cosωt+I a2cos2ωt+…+I an cosnωt （2.1）可见，板极电流等于直流分量I a0、一次谐波(基波)、二次谐波和其他高次谐波之和图3-1脉冲波形板极并联谐振回路要调谐到激励信号电压的频率，并且在实际情况下，振荡回路的Q值远大于1(考虑到下级负载引入的电阻)，即回路的谐振性很强。

这样，谐振回路对基波的阻抗很大，而且是纯电阻性的，这就是我们熟知的谐振阻抗，一般用R oe来表示。

板极回路的直流电阻，可以看成是短路的。

同时，因为回路是调谐到基波，对于高次谐波回路失谐很大，所以回路对于高次谐波也近似于短路。

这样，板极电流通过回路时，在回路上所引起的只有基波电压。

输出电压不是脉冲形状，而是和输入激励电压一样的波形。

2.3具体分析串联偏置是说电子器件，负载电路和直流电源三部分串联起来的。

在上面所提到的电路中LC是负载贿回路；L‘是高频厄流圈，它对直流是短路的，但对高频则呈现很大的阻抗，可以认为是开路的，以阻止高频电流通过功用电源内阻产生高频能量损耗，特别是避免在个级之间由此而产生的寄生偶合；C’是高频旁路电容，他们对高频应呈现很小的阻抗，相当于短路。

加入这些附属元件L‘，C’等的目的就是为了使电路能满足上述组成电路的原则。

偏置电路中都存在着自给偏置效应，即当由小增大时，基极电流脉冲中的平均分量相应增大，它在偏置电阻上的压降增大，结果使基极偏置电压向负值方向增大。

由此表明在输入信号激励下，由于自给偏置效应，基极偏置电压将不等于静态偏置电压，且其值随着输入激励幅度增大而向负值方向增大。

滤波匹配网络的作用是阻抗匹配和选频滤波。

3.参数的计算和选择3.1功率放大器输出功率的计算分析令u a=I a1R oe cosωt=U a cosωt (2.2)其中U a＝Ia1R oe是回路电压的幅度。

由于u a的正方向与E a相反，所以板极的瞬时电压为e a=E a-u a=E a-U a cosωt (2.3)由LC谐振回路的基本知识可知，当板极回路谐振于激励信号频率时，板极回路对基波电流呈现一个纯电阻的谐振阻抗为式中，--回路特性阻抗；--回路有载品质因数；r'--回路有载总损耗电阻由于高次谐波不在回路上产生压降，所以回路两端的高频电压为U a= I a1R oe (2.5)其中I a1为振幅值。

在负载上产生的高频功率为由上分析可知，只要在放大器的栅极电路中输入激励电压，便可以在板极负载上获得高频输出功率。

同时也可以看出，板流i a虽是脉冲形状，但由这一电流在回路两端产生的电压降却是正弦形式。

其关键是放大器的板极接有一个LC并联谐振回路。

3.2谐振回路的计算分析采用谐振回路作负载是高频放大器区别于低频放大器的特点，它有两个作用：第一是阻抗变换的作用；第二是滤波作用。

以前边系统为例，设板极回路与负载回路之间的互感为M，再设负载回路已调至谐振，天线回路的串联电阻为R A，则在有载的情况下板极回路的等效阻抗应为对于给定的R A，我们可以调整M、L、C三个量来满足下面两个条件：(1)使等效的并联回路谐振于工作频率；(2)使R oe之值等于电子管所要求的最佳数值。

这样就实现了阻抗匹配。

回路的滤波作用，就是把我们所需要的放大后的基波信号选出来，把不需要的谐波抑制掉。

我们知道，工作于乙类或丙类的放大器，其板流为一脉冲，其中除含直流分量、基波分量外，还有谐波分量。

如果负载是个电阻，它决不能把其中的基波分量选出来。

但在LC的并联谐振回路中，由于线圈的电阻很小，可以认为对直流是短路的。

对基波来说，当谐振时，回路的等效阻抗是一个数值较大的纯电阻，其值为L/Cr 。

对于n次谐波，回路严重失谐，故回路对n次谐波呈现的阻抗与基波相比可以忽略不计。

因此，尽管i a中含有很多的谐波分量，但在回路两端只产生很小的谐波电压，只有基波分量I a1才能在回路两端产生足够大的电压降。

根据欧姆定律得式中u a=U a cosωt既然U a是正弦电压，故通过LC回路的电流必然也是正弦电流。

由此得出结论：由于并联LC回路的谐振特性起着滤波作用，尽管板流是脉冲形式的，但回路电流和回路两端的电压仍然是正弦形式的。

这一现象也可以从能量的观点来解释，即回路是由LC组成的，而L和C 都是贮能元件。

在板流流通的时间内，回路贮存能量，在板流截止的时间内，回路又放出能量，这样就维持了振荡回路中振荡电流的连续性。

3.3放大管栅极和板极的电流电压关系在讨论能量关系之前，有必要了解放大管栅极和板极的电压、电流工作波形及其相位关系。

图2-8表示高频功率放大器在工作时的栅压、栅流和板压、板流等的变化曲线以及它们之间的相位关系。

在N1-2(a)中，E g'为电子管的截止偏压，E g为工作偏压。

设电子管栅极上所加的高频电压为u g=U g cosωt，则栅极的瞬时e g为e g=E g+U g cosω图4-1丙类放大器工作波形为了获得得高的效率，放大器一般工作在丙类状态，则偏压|E g|大于板流的截止偏压|E g'|。

当e g超过E g时，即N1-2(a)中的t1～t4期间，电子管的板流流通，i a的波形是余弦脉冲的一部分。

其流通时间为2θ，称θ为板流流通角，如N1-2(b)所示。

当e g大于零时，即N1-2(a)中的t2～t3间，电子管出现栅流，其波形也近似于余弦脉冲波，其流通时间为2θg，称θg为栅流流通角，如N1-2(c)所示。

因板流是个余弦脉冲，可用富氏级数将其分解，于是就得到i a中的直流分量I a0和基波分量I a1，分别如图(d)、(e)所示。

由于板极回路谐振于基波，所以I a1在回路两端产生电压降u a的波形和变化规律与I a1相同，如图(g)所示。

由图(f)可见，瞬时板压e a的最小值为e amin=E a-U a，而最大值为e amax=E a+U a。

e amin有时也称为剩余电压，意思是回路剩给板极的电压。

回路电压的峰值U a对直流板压E a之比，称为板压利用系数，以符号ξ表示，即意思是直流馈电电压E a中有百分之多少可以转变为高频输出电压。

我们还可以用下式来表示ξ，即由N1-2(a)、(b)、(c)可见，板流通角θ取决于e g曲线与截止偏压E g 两个交点的位置，而栅流通角θg则取决于e g曲线与时间轴的两个交点的位置，显而易见θg ＜θ。

在大多数情况下板流脉冲可以近似地用一个余弦脉冲来表示，这是因为板流的动态特性曲线近似一条直线，如N1-2所示，所以e g作余弦变化时，板流脉冲也跟着作余弦变化。

但栅流动态特性曲线就不能当作一条直线，所以栅流脉冲的形状也不能当作余弦脉冲，而是近似于余弦平方脉冲或三角形脉冲，如N1-3所示。

图中虚线为理想化动态特性曲线和栅流脉冲，实线为实际动态特性曲线和栅流脉冲波形图4-2栅流脉冲从图4-2还可以看出在任何情况下e g与I a1是同相变化的，而u a则作反相变化。

由此得出结论：当e g=e gmax时，e a=e amin；反之，当e g=e gmin时，则e a=e amax，而e amax的极限值是2E。

3.4高频功率放大器的能量关系能量关系指的是功率放大器能量的来源和分配问题，它对放大器的安全工作、节约能源、输出大的功率都非常重要。

在板极电路中主要有三部分能量：直流电源供给的能量，电子管输送到振荡回路的能量和电子轰击板极在板极产生的热能。

显然后两种能量是由前一能量转换得来的。

根据能量守恒定律，三者应该平衡。

谐振时回路呈现一纯电阻，流经它的基波电流振幅为I a1，它在回路上引起的基波电压振幅为U a，因此，回路从电子管得到的高频功率为供给电子管板极电路的唯-能源是直流电压Ea，所以直流输入功率为P0=E a I a0 (2.13)直流输入功率P0中的大部分经电子管的转换变成输出功率P~，剩余部分则使电子管的板极发热变为板极损耗功率P a，所以P a=P0+P~ (2.14)于是我们就可以得到功率放大器的效率η为式中, 称为波形系数，它是板极流通角的函数。