第2章 宽带放大器.ppt

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1、第二章第二章 宽带放大器宽带放大器光学与信息工程学院光学与信息工程学院 通信工程系通信工程系2023/1/312023/1/311 1o宽带高频功率放大器宽带高频功率放大器(非谐振高频功率放大器非谐振高频功率放大器)：以传输线变压器为耦合电路的放大器，要求在很宽的波段范围内对载波载波或已调波已调波信号尽可能一致的线性放大。(达到几百甚至上千MHz)用于多频道通信系统及频段通信系统中。传输线变压器传输线变压器v 扩大放大器的工作频率v 功率合成器本章重点本章重点v传输线变压器阻抗变换传输线变压器阻抗变换v功率合成、分配功率合成、分配 2 2o宽带高频功率放大电路采用非调谐宽带网络作为匹配网络,能

2、在很宽的频带范围内获得线性放大。常用的宽带匹配网络是传输线变压器传输线变压器,它可使功放的最高频率扩展到几百兆赫甚至上千兆赫,并能同时覆盖几个倍频程的频带宽度。o由于无选频滤波性能,故宽带高频功放只能工作在非线性失真较小的甲类或乙类状态,效率较低。所以,宽带高频功放是以牺牲效率来换取工作频带的加宽3 31.1 1.1 传输线原理传输线原理o传输线传输线o传输线的电路分析方法传输线的电路分析方法集总参数电路分布参数电路v 长线，l ，v元件参数具有分布特性电阻、电感、电容、漏电导v信号传输具有延迟分布电容和分布电导影响电磁波传播的延迟效应4 41.1 1.1 传输线传输线o均匀传输线均匀传输线+

3、-+-:经过单位距离幅度衰减的量值，称衰减常数经过单位距离幅度衰减的量值，称衰减常数:经过单位距离相位滞后的量值，称相位常数经过单位距离相位滞后的量值，称相位常数5 51.1 1.1 传输线传输线o构成传输线的导体是理想导体R0=0，线间的介质是理想介质G0=0，这种传输线称为无损耗传输线。o工作频率足够高，R0 L0，G0 C0，实际工作的传输线和无损耗线很多结论相近。6 61.1 1.1 传输线传输线o正弦激励下的稳态解正弦激励下的稳态解特性阻抗特性阻抗7 71.1 1.1 传输线传输线o无损耗均匀传输线的入端阻抗无损耗均匀传输线的入端阻抗0 xlbaZinZLa,b端的端的入端阻抗入端阻

4、抗8 81.1 1.1 传输线传输线o不同负载不同负载ZL下下入端阻抗入端阻抗的变化规律的变化规律终端负载等于特性阻抗时，也即终端负载等于特性阻抗时，也即ZL=ZC特点：特点：v 沿线各点入端阻抗等于特性阻抗，与线长无关，沿线各点入端阻抗等于特性阻抗，与线长无关，这种情况称为这种情况称为传输线匹配或阻抗匹配传输线匹配或阻抗匹配。9 91.1 1.1 传输线传输线o终端短路时的入端阻抗终端短路时的入端阻抗o特点：特点：入端阻抗具有纯电抗性质感性感性容性容性10101.1 1.1 传输线传输线o终端开路时的入端阻抗终端开路时的入端阻抗o特点特点入端阻抗具有纯电抗性质感性感性容性容性11111.1

5、1.1 传输线传输线o/4 传输线的入端阻抗传输线的入端阻抗当当l/4 或或 l(2n1)/4时时特点特点作成作成/4阻抗变换器，阻抗变换器，达到传输线阻抗匹配达到传输线阻抗匹配 。12121.1 1.1 传输线无损耗线传输线无损耗线o ZL=R,接入接入/4无无损损线线ZCRZCR/4ZC1Zin13131.1 1.1 传输线传输线o例：例：使用使用/4阻抗变换器使图示负载和传输线匹阻抗变换器使图示负载和传输线匹配，求配，求/4线的特性阻抗。线的特性阻抗。ARL164/4ZC=50RL225ZC2ZC1/4Bo解：解：匹配时：14141.1 1.1 传输线传输线o反射系数反射系数定义反射系数

6、为沿线任意点处反射波电压相量与入射波电压相量之比。在通信线路和设备连接时，均要求阻抗匹配，避免信号反射，在通信线路和设备连接时，均要求阻抗匹配，避免信号反射，而引起的频率失真。而引起的频率失真。终端反射系数终端反射系数：l 频率失真（线性失真）：幅度失真；相位失真l 非线性失真：产生新的频率分量15151.1 1.1 传输线无损耗线传输线无损耗线特点特点沿线电压、电流振幅不变；沿线电压、电流振幅不变；沿线电压、电流同相位；沿线电压、电流同相位；电源发出的能量全部被负载吸收，传输效率最高；电源发出的能量全部被负载吸收，传输效率最高；沿线的入端阻抗为：沿线的入端阻抗为：o传输线上只有入射波传输线上

7、只有入射波行波状态行波状态16161.2 1.2 传输线变压器传输线变压器o宽频带特性宽频带特性普通变压器上、下限频率的扩展方法是相互制约的。v扩展下限频率,就需要增大初级线圈电感量,使其在低频段也能取得较大的输入阻抗,如采用高导磁率的高频磁芯和增加初级线圈的匝数,但这样做将使变压器的漏感和分布电容增大,降低了上限频率；v为了扩展上限频率,就需要减小漏感和分布电容,减小高频功耗,如采用低导磁率的高频磁芯和减少线圈的匝数,但这样做又会使下限频率提高。传输线变压器：基于传输线原理和变压器原理的一种耦合元件。它是将传输线(双绞线、带状线或同轴线等)绕在高导磁率的高频磁芯上构成的,以传输线方式与变压器

8、方式同时进行能量传输17171.2 1.2 传输线变压器传输线变压器o结构结构q 工作原理v 端口电压相等端口电压相等 v流过传输线电流大小相等，方向相反流过传输线电流大小相等，方向相反132418181.2 1.2 传输线变压器传输线变压器o传输线方式工作传输线方式工作信号从、端输入,、端输出理想情况：传输线无损耗、阻抗匹配传输线的工作频带无限宽实际：RL 尽可能接近ZC，传输线长度l与工作波长相比足够小 (l min8)时v11变压器v上限频率可达到很高19191.2 1.2 传输线变压器传输线变压器o变压器工作方式变压器工作方式当工作在低频段低频段时,信号波长远大于传输线长度,分布参数很

9、小,可以忽略,变压器方式起主要作用信号从、端输入,、端输出v11的反相变压器 （输入、输出线圈长度相同）v采样高导磁率的磁芯,虽传输线较短，也能获得足够大的初级电感量,保证了传输线变压器的低频特性较好20201.2 1.2 传输线变压器传输线变压器o平衡输入平衡输入-不平衡输出不平衡输出o不平衡输入不平衡输入-平衡输出平衡输出21211.2 1.2 传输线变压器传输线变压器o阻抗变换特性阻抗变换特性只能完成某些特定阻抗比的变换，如:1、9:1、1:1，或者1:、1:9、1:1641传输线阻抗变换器v无耗且传输线长度很短v输入、输出端电压相等，v流过的电流相等当负载RL为特性阻抗Zc的1/2时,

10、此传输线变压器可以实现41的阻抗变换。Zi是指、端之间的等效阻抗（输入对地的阻抗）。22221.2 1.2 传输线变压器传输线变压器o习题：求下图的阻抗变换特性习题：求下图的阻抗变换特性u1u2i22ui1i1+i2i在负载匹配的条件下，有在负载匹配的条件下，有 u1=u2=u，i1=i2=i 由由于于变变压压器器的的1 1端端与与4 4端端相相连连，输输入入端端1 1端端与与3 3端端的的电电压压为为u u，负负载载R RL L上上的的电电压压为为u u1 1+u u2 2=2=2u u，输入端输入端1 1的电流为的电流为i i1 1+i i2 2=2=2i i，且且传输线变压器的输入阻抗为

11、传输线变压器的输入阻抗为：23231.2 1.2 传输线变压器传输线变压器o习题习题 求证：求证：24241.2 1.2 传输线变压器传输线变压器o宽带高频功率放大电路 41阻抗变换器级联，作为第一级功放的输出匹配网络,使第二级功放的低输入阻抗与第一级功放的高输出阻抗实现匹配。使第二级功放的高输出阻抗与50的负载电阻实现匹配。两级功放都工作在甲类状态25251.3 1.3 功率合成和分配功率合成和分配o利用多个功率放大电路同时对输入信号进行放大,然后设法将各个功放的输出信号相加,这样得到的总输出功率可以远远大于单个功放电路的输出功率，这就是功率合成技术。利用功率合成技术可以获得几百瓦甚至上千瓦

12、的高频输出功率。o理想的功率合成器不但应具有功率合成的功能,还必须在其输入端使与其相接的前级功率放大器互相隔离,即当其中某一个功率放大器损坏时,相邻的其它功率放大器的工作状态不受影响,仅仅是功率合成器输出总功率减小一些26261.3 1.3 功率合成和分配功率合成和分配功率合成器原理框图功率分配单元采用7个功率增益为2,最大输出功率为10 W的高频功放,利用功率合成技术,可以获得40W的功率输出27271.3 1.3 功率合成和分配功率合成和分配o由由4:14:1传输线变压器构成的传输线变压器构成的反相功率合成器反相功率合成器28281.3 1.3 功率合成和分配功率合成和分配 如果如果iA

13、iB，也即放大器等效电压源Ua，Ub幅度相等，相位相反 A端 i=iA-iDiAiD iCiBiiD B端 i=iD-iB C端 iC=2i=iA-iBiC=2i=0，iD iA iB，UAUB，UDD,2UA 两个放大器注入的功率每个放大器的等效负载每个放大器阻抗匹配，输出功率在负载上合成，传输线变压器虚接29291.3 1.3 功率合成和分配功率合成和分配 如果如果 iB 0，也即当B管对地短路时iD i1/2 iA此时，传输线变压器工作与4:1阻抗变换状态，1,4端等效阻抗R144RC=2ZC=RDiAiDiCiiDi当某一前级功放发生短路故障时，另一功放工作状态不变(阻抗匹配)，输出功

14、率不变，负载获得前级功放的一半功率，为无故障时的1/4。30301.3 1.3 功率合成和分配功率合成和分配 如果如果 iB 0，也即当B管开路时iD i1/2 iA1,4端电阻RD 等效到R13RD/4=ZC/2,A对地电阻为R13串联RC=ZC，也即A管等效负载为ZC，故障前后保持不变。iAiDiCiiiD当某一前级功放发生开路故障时，另一功放工作状态不变(阻抗匹配)，输出功率不变，负载获得前级功放的一半功率，为无故障时的1/4。31311.3 1.3 功率合成和分配功率合成和分配o同相功率合成同相功率合成两个功率放大器和B输出同相等值功率，提供等值同相电流Ia和Ib，则可称为同相功率合成

15、电路。采用和上面类似方法可以证明，此时两功率放大器的注入功率在端C上合成，而在端电阻D上无输出功率。后者所接电阻称为假负载或平衡电阻。32321.3 1.3 功率合成和分配功率合成和分配o小结小结正常工作下，传输变压器相当于虚接；电路故障时，传输变压器起阻抗变换作用，使放大管（信号源）的等效负载不变，工作状态不变；电路故障时，负载仍获得功率，只是减小。33331.3 1.3 功率合成和分配功率合成和分配o功率分配器功率分配器信号源从C或D端接入，A，B端为负载接入端 C端接一端接地的非平衡信号源 A,B端获得同相位的信号电压 D端接平衡信号源 A,B端的信号电压相位相反。34341.3 1.3

16、 功率合成和分配功率合成和分配o功率分配器举例功率分配器举例分配器在共用天线系统中的应用电视接收机的共用天线系统，简称CATV系统。最简单的共用天线系统，包括接收天线、混合器、放大器、分支器和分配器等。功率二分配器35351.3 1.3 功率合成和分配功率合成和分配功率二分配器150功率四分配器特性阻抗ZC=7536361.3 1.3 功率合成和分配功率合成和分配o功率合成电路举例功率合成电路举例反相功率合成器典型电路不平衡不平衡平衡信号源，平衡信号源，信源阻抗信源阻抗2Z2ZC C=25=25 功率分配器功率分配器分配到经分配到经T T3 3T T4 4阻抗变阻抗变换后匹配的换后匹配的VTVT1 1VTVT2 24:1阻抗变换，对阻抗变换，对VT1的的低输入阻抗变换低输入阻抗变换反相功率合成反相功率合成3737