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點是效率高。但是調諧非常繁瑣 , 而且調諧速度慢,不能適應現代通信發展的要求。對于要求工作于多個頻道,快速換頻的發射機;電子對抗系統中有快速跳頻技術要求的發射機;多頻道頻率合成器構成的發射機等都要求采用快速調諧跟蹤的放大器。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射機工作頻率范圍,所以在發射機變換工作頻率時不需要進行調諧。
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上發展起來的新元件。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形磁芯上繞制而成,如圖3-24所示。磁環的直徑根據傳輸的功率和所需電感的大小決定,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。這種變壓器的結構簡單、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。即電場能轉變為磁場能。然后電感又向后面的電容進行能量交換，磁場能轉換成電場能。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,自始端傳輸到終端,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的不利因素，反而是電磁能轉換的必不可少的條件。此外，電磁波主要是在導線間介質中傳播的，因此磁芯的損耗對信號傳輸的影響也就大為減少。傳輸線變壓器的最高工作頻率就可以有很大的提高，從而實現寬頻帶傳輸的目的。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的關系為←
U 2 =Ul e -jωt
式中 ,α=2π/λ為傳輸線的相移常數,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 ,實現變壓器與福在匹配的條件是
Zc=R L ,
實現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、電流關系來說明最佳匹配條件和阻抗變換關系。
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 4:1阻抗變換的主宰,可用圖3-28所示的電路來組成。
下面我們仍用理想元損耗傳輸線的電壓、電流關系來說明最佳匹配條件和阻抗變換關系。
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傳送高頻能量和實現放大器與放大器的阻抗匹配或實現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串聯給T1放大器提供反饋,電阻1.2KΩ與12Ω串聯給T2放大器提供反饋。為了避免放大器通過電源內阻在放大器級間產生寄生耦合,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組成,分別對不同的頻率濾波。由于沒有采用調諧回路,這種放大器應工作于甲類狀態。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。根據負載為50Ω,經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,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16:1阻抗變換,Tl的集電極負載為96Ω。
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