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第3章 谐振功率放大器 【本章内容提要】 本章主要介绍射频功率放大电路。对丙类谐振功率放大器的工作原理和性能进行了分析，介绍了丙类谐振功放的直流馈电方法和典型电路，并对丙类谐振功放的输入与输出匹配网络作了功能分析，对传输线变压器的结构原理、性能特点和应用电路进行了讲解，同时对丙类谐振倍频器的电路组成及其工作原理作了详细说明。【本章学习重点与要求】 本章重点掌握谐振功率放大器的特点、基本工作原理、主要参数及电路性能分析，掌握丙类谐振倍频器的电路组成及其工作原理，了解功率合成电路和功率分配器的组成原理。 3.1概述 在高频范围内，为了获得较大的高频输出功率，必须采用高频功率放大器。高频功率放大器的负载为谐振网络，所以高频功率放大器也称谐振功率放大器。高频功率放大电路主要用于发射机的末级和中间级，它将振荡器产生的信号加以放大，获得足够的高频功率后再送到天线上辐射出去。高频功率放大器是通信、广播、电子测量、医疗电子设备等系统中必不可少的一种电路，尤其是在发射机中，它更占有重要地位。对于调幅发射机而言，高频功率放大器在其中的位置大致如图3-1所示。 3.1概述 高频功率放大器的主要技术要求是高输出功率和高效率，常用于放大窄带高频信号，信号的通带宽度只有其中心频率的l%或更小。例如GSM 1800系统的前向信道载频中心频率为1?748 MHz，信号的信道带宽为200kHz，则其相对比值为0.12%。因此，高频功率放大器一般都采用谐振回路作负载，属于窄频带的谐振功率放大电路。采用调谐于工作频率f0的谐振回路作放大管的负载，可以有效地抑制放大管本身由于工作于非线性状态而产生的大量谐波，使之输出原频率f0的信号功率。正由于这一点，高频功率放大器一般工作在丙类状态，导通角小于90°。根据分析，此时的晶体管集电极电流是一个个小的脉冲，这些小脉冲必包含输入信号的基波和高次谐波，负载回路若调谐于基波，则得到高频功率放大；若调谐于谐波，则得到倍频。倍频器也工作在丙类，其导通角会更小。 3.1概述 高频功率放大器和小信号放大器都工作在高频段，负载均为谐振回路。但二者的谐振负载所起的作用却有差别。小信号放大器的谐振网络主要起选择有用信号，滤除干扰信号的作用；而高频功率放大器的谐振网络主要起选择基波信号、滤除谐波成分的作用。小信号放大器的输入信号为小信号，晶体管工作在线性状态，属于线性放大器；高频功率放大器的输入信号多为大信号，晶体管工作在非线性状态，属于非线性放大器。根据通带宽度的大小不同，高频功率放大器可以分为两大类：一类是窄带的，称高频谐振功率放大器；另一类是宽带的，称为宽带高频功率放大器。近年来宽频带发射机的发展较快，在宽频带发射机电路中，广泛采用一种新型的宽带高频功率放大器，它不采用选频网络作负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作负载，这样，放大器可在很宽的范围内变换工作频率，而不必进行调谐选择。 3.1概述 应该指出的是，在功率较大的高频放大器中，电子管还占有相当重要的地位，因为电子管无论在功率方面还是在频率方面，均优于晶体管，唯体积、质量、寿命等指标不如晶体管。现在已有单管功率达2?000kW巨型电子管，这是晶体管所望尘莫及的。当然，晶体管也在向大功率、高频率的方向发展，目前已有频率达数千兆赫兹、功率达到百瓦级的高频功率管的生产。用VMOS技术，晶体管的功率与工作频率会有进一步的提高。 高频功率放大器有多种工作方式，根据晶体管集电极电流导通时间的长短不同，一般分为甲（A）类、乙（B）类、甲乙（AB）类、丙类（C）和丁（D）类等，表3-1列举了这几种状态的功率放大器的特点。 3.1概述 为了进一步提高效率，近年来又出现了戊（E）类和S类等开关型高频功率放大器，以及利用特殊技术来提高效率的F类、G类和H类高频功率放大器。 表3-1 放大器的工作状态 3.2谐振功率放大器的工作原理 3.2.1 丙类谐振功率放大器的工作原理 图3-2是谐振功率放大器的基本电路。图中C1、C2是高频旁路电容器，能对直流供电电压VCC和VBB作交流滤波，也防止本级交流信号窜入电源，影响其他电路工作。负载LC谐振回路调谐于输入信号的载波频率上，输出信号的波形和输入信号一样。基极偏置电压VBB可为正、为零、为负值，视导通角的大小而不同。为了实现丙类工作，VBB应该设置在功率管的截止区内。 3.2谐振功率放大器的工作原理 在丙类谐振放大电路中，作为集电极负载的谐振回路有两个作用：首先是利用它的谐振特性，从众多的电流分量中选取出有用分量（即基波分量），起到选频作用；其次是阻抗匹配作用，将负载电阻RL变为所需要的晶体管集电极负载电阻。使回路阻抗为最佳负载阻抗值，确保能获得最大输出功率。 谐振功率放大器工作在丙类状态，即只有在输入信号正半周期的部分时间，放大管才