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'04射频功率放大器 4．1引言射频功率放大器RFPA是发射系统中的主要功能电路部分。在调制器产生射频已调信号后，射频已调信号就由RFPA将它放大到足够功率，经匹配网络，再由天线发射出去。图4．1．1发射系统框图2021/9/25 4．1引言功率放大器输出功率大，从直流电能转换成交流输出功率的转换效率是功率放大器所要研究的主要问题。为提高效率，将放大器的工作状态从A类(甲类)设计成B类(乙类)，又进一步从B类设计为C类(丙类)、D类(丁类)、E类(戌类)、F类。通常在RFPA中，可以用LC谐振回路选出基频或某次谐波，实现不失真放大。D类和E类以及F类功放则是开关型功率放大器，这类功放目前常称的高效功率放大器。近年来由于射频与微波功率放大器的迅速发展，使这类开关型功放电路技术逐趋于成熟，并应用到各种类发射系统中。本章首先介绍A~F类的RFPA的原理、特点以及电路设计。然后介绍功率放大器的阻抗匹配原理和匹配网络设计，窄带和宽带RFPA设计。最后介绍宽带功率合成技术。2021/9/25 4．2A类射频功率放大器4．2．2方波信号输入时的A类RFPA图4．2．2iC的方波波形ICQ为工作点Q处的直流电流值，方波电流幅值ILm≤ICQ。输出功率:效率：如果ILm=ICQ，则η＝100%根据功率管的这一特性,可设计出开关工作状态的功放电路,D类、E类和F类功放等。2021/9/25 4．2A类射频功率放大器4．2．2方波信号输入时的A类RFPA如果LC回路调谐在基波选出基波频率分量，输出功率：I1m为iL中的基波电流振幅：基波最大输出功率:最高效率:LC回路谐振阻抗如果把LC回路调谐在n次谐波上，就可实现n次倍频。但效率随n很快下降，即ηn=8/n2π2，但能实现不失真倍频。2021/9/25 4．3B类和C类射频功率放大器A类RFPA的效率:ILmRL=Ucm，令ζ=Ucm/VCC，ζ为集电极电压利用因子。η与ζ有关，还取决于ILm/ICQ。增大ILm/ICQ比值会使集电极电流波形发生变化，当ICQ减小，至使ILm在整个周期内一部分为“0”，电流波形就变成了余弦脉冲波形。使RFPA的工作状态从A类进入AB类，继而进入B类、C类。2021/9/25 4．3B类和C类射频功率放大器4．3．1B类射频功放电路(a)B类功放偏置(b)B类功放iC波形图4．3．1B类功放偏置和iC波形iC信号严重失真为实现正弦信号的不失真放大，在这种B类功放中也常常采用LC并联谐振回来选出基波正弦分量。2021/9/25 4．3B类和C类射频功率放大器4．3．1B类射频功放电路图4．3．2集成互补MOSFETB类推挽功放目前在射频功率放大器集成电路中，采用两只互补功率MOSFET的B类推挽功率放大器。图4．3．2所示为集成功率放大器内电路的输出级，图中Tl为N沟道耗尽型MOSFET，T2为P沟道耗尽型MOSFET，恒流源IQ和Rb是Tl和T2的偏置电路。在输入信号电压超过功率管的门限电压前，MOSFET不导通。2021/9/25 4．3B类和C类射频功率放大器4．3．2C类射频功放原理如果将功率放大器偏置在功率管的导通时间小于半个周期，即导通通角,则这种工作状态称为C类。图4．3．3C类功放集电极电流波形2021/9/25 4．3B类和C类射频功率放大器4．3．2C类射频功放原理图4．3．3C类功放集电极电流波形iC中的直流分量IC0可以由如下积分关系计算:2021/9/25 4．3B类和C类射频功率放大器4．3．2C类射频功放原理图4．3．3C类功放集电极电流波形功率管的导通通角2θ=θ2-θ1，或代入上式可得直流分量IC0为：2021/9/25 4．3B类和C类射频功率放大器4．3．2C类射频功放原理iC中的基波分量幅值I1m可以用如下积分关系计算:C类功放电路的输出功率Po为:C类功放电路的电源供给功率PD为:2021/9/25 4．3B类和C类射频功率放大器4．3．2C类射频功放原理C类功放的效率η为:若忽略功率管的饱和压降UCE(sat),则当iC达最大值,UCm=I1mRL≈VCC,且输出功率Po为最大。这时,C类功放在最大输出功率时,效率η是通角θ的函数。2021/9/25 4．3B类和C类射频功率放大器4．3．2C类射频功放原理图4．3．4η与θ关系曲线当通角θ减小到接近零时，C类功放的效率η增加到100％，这是理想状态下的情况。一般减小θ时，η是增加的，这是C类功放效率高的原因。相反,θ增加时,η是降低的。当θ＝90°时，功放电路工作在B类，这时的理想效率为η＝78.5％。由式(4．3．6)和式(4．3．7)可得B类功放的Po和PD分别为在大功率高效射频功放电路中经常采用效率高的C类功放。2021/9/25 4．3B类和C类射频功率放大器4．3．3C类RFPA的查表设计方法C类功率放大器的主要设计计算参数为：输出功率Po、电源供给功率PD、功率管的管耗PT、功率管的最大集射(漏源)极间电压uCEmax和功率管最大输出电流iCmax等。图4．3．5BJTC类功放电路图中基极反偏置电压VBB将功率管偏置在C类,它和输入激励信号幅度Ubm决定了功放管的导通通角θ只有改变VBB才能改变工作状态。2021/9/25 4．3B类和C类射频功率放大器4．3．3C类RFPA的查表设计方法图4．3．5BJTC类功放电路若功率管截止,则功率管集射极的最大电压uCEmax≈2VCC。若功率管导通,则集电极最大电流iCmax为：若用基波振幅Ilm表示iCmax：用归一化峰值电流IM表示：2021/9/25 4．3B类和C类射频功率放大器4．3．3C类RFPA的查表设计方法归一化峰值电流IM:图4．3．6IM与θ的关系曲线IM是θ的函数关系在输出功率固定的情况下，功率管集电极电流峰值随通角θ的减小而增大。2021/9/25 4．3B类和C类射频功率放大器4．3．3C类RFPA的查表设计方法功率管的管耗PT可以用电源供给功率PD和输出功率Po之差来表示:归一化管耗PT/Po是θ的函数关系:图4．3．7PT/Po与θ的关系曲线在固定输出功率Po的情况下,管耗PT随通角θ的增大而增加。在给定管耗PT时,则对应某一输出功率Po就有一个确定的通角θ。2021/9/25 4．3B类和C类射频功率放大器4．3．4C类RFPA的倍频功能由于C类功放的电流脉冲iC中含有很丰富的谐波分量，只要把负载并联LC回路调谐在某次谐波上，C类功放就是倍频功放电路。C类功放的集电极电流脉冲iC可表示为:如果将时间原点移到电流脉冲的中心，则导通期间电流脉冲iC可表示为:用傅里叶级数展开，可得各次谐波分量的振幅为:2021/9/25 4．3B类和C类射频功率放大器4．3．4C类RFPA的倍频功能n为谐波次数,且n≥2.各次谐波的振幅Inm与通角θ有关.图4．3．9Inm/ICm与θ关系曲线图中仅画出了n=2，3，4等三条曲线。由图中可知，各次倍频谐波最大幅值，有一个最佳通角θ。n=2,最佳通角θ=60°;n=3,最佳通角θ=40°;倍频次数越高,相应的谐波最大幅值也越小,而且效率也越低.2021/9/25 4．4高效射频功率放大器A、B、C类功放是通过不断减小功率管的导通时间(减小通角θ)来提高效率的。θ的减小是有限度的。因为θ减小时，效率η虽提高了，但基波振幅I1m却减小了，从而使输出功率下降。功率消耗在管子上的原因是集极电流iC流过功率管时，功率管集射极间电压uCE不为零。功率管的管耗PT可以用uCE和iC的乘积在一周期内的积分来表示，即要求功率管在导通时，进入饱和而管压降为零；截止时，流过功率管的电流为零。这种工作状态就是高效射频功放电路的设计思想。高效射频功放区别于A、B、C类功放的主要特点是功率管处于开关工作状态，称之开关型功放。而A、B、C类功放，功率管是处于放大工作状态的，称之线性功放。高效射频功放有D类、E类和F类，以下就分别介绍这三类功放。2021/9/25 4．4高效射频功率放大器4．4．1D类RFPA图4．4．1D类功放电路D类RFPA通常采用两只功率管组成推挽工作结构。图中输入激励信号经变压器倒换相位后，使功率管T1、T2交替导通，并处于开关工作状态。2021/9/25 4．4高效射频功率放大器4．4．1D类RFPA图4．4．2D类功放的等效电路的ua波形由图4．4．2(a)中得回路选择基频时,负载RL上的输出电压uo(t)为2021/9/25 4．4高效射频功率放大器4．4．1D类RFPA图4．4．2D类功放的等效电路的ua波形流过每管的直流电流ID为2021/9/25 4．4高效射频功率放大器4．4．1D类RFPA图4．4．1D类功放电路输出功率Po为:电源供给功率PD为2021/9/25 4．4高效射频功率放大器4．4．1D类RFPA图4．4．1D类功放电路D类功放的效率η为：功率管的管耗PT为：2021/9/25 4．4高效射频功率放大器4．4．2E类RFPA图4．4．3E类射频功放电路D类功放存在很难保持D类状态;实际的效率η