高频功率放大器.doc

第二章 高频功率放大器第一节 概述在调频广播发射机中，高频功率放大器主要是用来放大由调频激励器送出的射频已调波信号。小功率的已调波信号经过一系列的放大和功率合成后。以达到额定的高频功率后，经由馈线送到天线上发射出去。目前所使用的调频广播发射机的高频功率放大器，在大功率的金属氧化物半导体场效应管没有面世以前，多采用电子管作为高频功放的电子器件，就是所谓的电子管广播发射机。而晶体管用于高频功放的功率放大器件只是在近年来才广泛使用，到目前为止，场效应管已替代晶体管作为全固态调频广播发射机的功率放大器件。高频功率放大器主要由场效应管功放模块、分配器和合成器、低通滤波器和监测单元所组成。而场效应管功放模块由输入匹配回路、功放管和输出匹配回路组成，其输入、输出匹配回路大多采用半集总半分布式回路，随着科技的不断发展，大功率的场效应晶体管的不断更新换代，为我们研制生产大功率等级的全固态调频广播发射机提供了便利的条件。作为功率器件的晶体管与电子管相比，它具有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等优点，因此它一出现就显示了很强的生命力，在短时间内获得了迅速的发展。因此应用大功率场效应管的全固态调频广播发射机已逐渐地取代了电子管功放的调频广播发射机，为广播通讯的发展揭开了新的篇章。全固态调频广播发射机的大功率MOSFET管，目前使用较多的是飞利浦公司生产的BLF177、BLF278和摩托罗拉公司生产的MRF151G等。BLF177的最大输出功率为150W，而BLF278和MRF151G的最大输出功率为300W，随着功率合成技术的不断发展，更高功率等级的调频广播发射机已成现实。但无论是使用电子管还是晶体管的高频功率放大器，其主要性能指标都是指的功率增益、效率、带宽和谐波抑制度。由于这几项指标不容易兼顾，所以在设计高频功率放大器时，根据工作的类型不同等特点，重点的保证其中一些指标，同时兼顾另外一些指标，如调频激励器的功率放大器是以输出功率和带宽为主要指标，而发射机的末级功率放大器则以效率、功率增益和谐波抑制度为主要指标。我们已经知道，放大器可以按照电流通角的不同，分为甲、乙、丙类工作状态，甲类放大器的电流通角为360，适用于小信号低功率放大。乙类放大器的电流通角约等于180，丙类放大器的电流通角则小于180，乙类和丙类都适用于大功率工作，但丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的，所以高频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大，而调谐回路具有滤波能力，回路的电流与电压仍然极近于正弦波，失真很小。例如1kW调频广播发射机的末级功放中的300W功放模块，就是采用双推挽功率金属氧化物半导体场效应管BLF278作为功放管。当它工作于丙类时，其输出功率为300W，功率增益为18dB，效率达到75以上，4路300W功放模块经功率合成后输出大于1kW。由于调频广播的工作频段为87108MHz，高频功率放大器的二、三次谐波均落入电视广播的频段，为了不造成对电视接收的干扰，在涉及功率放大器时除提高谐波的抑制度外，还在其功放的输出端加有抑制谐波用的高性能低通滤波器，以满足整机对谐波的要求。 第二节 高频功率放大器一、 大功率场效应晶体管大功率场效应晶体管是近年发展起来的新型半导体功率器件，这类功率管大多采用金属氧化物半导体场效应晶体管（简称MOSFET）作为功率器件，目前这类功率器件还在不断的向前发展，最新面世的横向扩散金属氧化物半导体场效应晶体管（简称LDMOSFET），它在输出功率、效率及高驻波比工作上比MOSFET优势更加明显，是以后功率器件发展的趋势所在。作为功率器件的场效应晶体管与双极性晶体管相比，具有以下优点：（1）当栅源电压固定时，MOSFET的漏极电流温度系数是负的（由于沟道中载流子迁移率随温度升高而下降），也就是说当其他条件不变的情况下，该管子的输出功率随温度的升高而下降，使MOSFET从原理上消除了热不稳定性二次击穿的问题，另一方面使MOSFET可以采用多级并联的结构以获得很大的功率输出。（2）在短沟道MOSFET中，载流子以饱和漂移速度通过全部沟道长度时，MOSFET的跨导是不随栅源电压变化的恒定值，可以获得线性功率放大。（3）MOSFET输入阻抗高，是电压控制器件。这使输入电路的功耗大大减小，有助于控制并实现最大输出功率。（4）MOSFET是功率开关器件，具有较快的开关速度。（5）目前，MOSFET功率器件的结温较高，总耗散功率大，漏源工作电压可高达100V以上，这对于大功率状态工作的管子尤为有利。金属氧化物半导体场效应管按工作方式分有增强型和耗尽型两类，而每类又分为N沟道和P沟道，N沟道的场效应管的衬底为P型材料，增强型的MOSFET的栅偏压为正，耗尽型的栅偏压为负。在全固态的调频广播发射机中，其高频功率放大器的功放管多采用的是N沟道增强型的VMOSFET（具有V形槽的MOSFET）。其最大特点是利用严格控制扩散结深的方法来控制沟道长度，以提高它的高频特性。由于VMOSFET的沟道短，栅漏间的电容较小，其工作频率可达到20GHz。最近几年又新推出的适合数字功率发射的LD-MOSFET技术的场效应管（横向扩散金属氧化物场效应管），输出功率更大，对负载的适配能力更强。也是今后发展的主流趋势，目前已有产品面世。（一）MOSFET的基本工作原理N沟道增强型MOSFET在工作时，其栅源电压VGS和漏源电压VDS均为正向电压，如图2-1所示。图2-1 N沟道增强型MOSFET工作原理当栅源电压VGS0时(或0时)，虽然漏源电压VDS为正，但因两个N型区之间有P型衬底相隔，电流不能流通，故漏极电流ID0，MOSFET处于截止状态。当栅源电压VGS0时，相当于VGS加在了以SiO2为介质，以栅极和P型衬底为两级板的电容器，在介质中产生一个由栅极指向P型衬底的电场。该电场排斥衬底中的空穴而吸引电子，在VGS较小时被吸引到衬底表面的电子数很少，并被衬底表面的大量空穴复合掉，在表面层形成截流子的耗尽层，无法形成导电沟道。但当VGS增加到一定程度，比如VGSVt时，被吸引到表面层上的电子数增多，形成很薄的N型沟道，通常称为“反型层”，而“反型层”实际构成了漏、源极间的导电沟道。这时栅源电压Vt为MOSFET的开启电压，加上VDS后就会产生漏极电流ID，且VGS越大，ID也就越大，实现了VGS对ID的控制作用。（二）MOSFET的特性曲线N沟道增强型MOSFET通常采用共源连接方式，其源极与衬底连接并接地，电路如图2-2(a)所示。与之相对应的输出特性曲线如图2-2(b)所示。输出特性曲线上所划分的3个工作区，分别是：可调电阻区；饱和区；雪崩区。在源极与衬底相连时各工作区的特点如下：可调电阻区：漏电流ID随VDS的变化近似于线性变化，所以又称为线性区。饱和区：漏电流ID几乎不随VDS变化，但当VGS增大时，由于沟道电阻减小，其饱和电流值也相应增加，所以饱和区为MOSFET的线性放大区。雪崩区：又称击穿区。当VDS大于某一电压时，漏极与衬底的PN结发生反向击穿，ID就急剧增加，特性曲线进入雪崩区。这时的漏极电流无须经过沟道区，而直接由漏极进入衬底，这个电压称为击穿电压，它随着VGS的变化而变，所以在设计和调整放大器时，应避免工作在击穿区。图2-2 N沟道增强型MOSFET电路与特性曲线（三）VMOSFET的结构及特点：1、结构图2-3为其结构示意图。将高掺杂的N型硅（N）衬底作为漏极D，在其外延上生长一层低掺杂的N型硅（N），通过扩散在外层上制作一层低掺杂的P型硅（P），然后再沿垂直方向穿过N区和P区蚀刻出一个V型槽，最后在整个表面上生长出氧化层（SiO2），并在V型槽部分覆盖一层金属作为栅极G，从N区和P型衬底（P）上引出源极S，则构成一个VMOSFET。图2-3 V-MOSFET结构示意图2、特点VMOSFET从其结构上看，它的栅极是一个V型槽，生成2个沟道，可提供较大的电流密度，并且漏极的散热面积大，在采取有效的散热情况下，适合于大功率工作的状态。其特点如下：（1） 输入、输出阻抗高，容易实现宽带匹配。（2） 功率增益高，输出功率大，且驱动较小，容易实现功率控制。（3） 漏源击穿电压高，对安全可靠工作有利。（4） 正向跨导较大，且跨导的线性好。（5） 通频带宽，高频特性好。（6） 具有负温度参数，温度稳定性好。（7） 低的导通电阻Ron，既能提高最大输出功率，又能保持较低的耗散功率。（8） 输入、输出间的反馈电容小，线路便于设计和调整。目前VMOSFET已在高频功率放大、音频功放、开关电源及高速开关、直流转换等方面得到广泛的应用。（四）BLF177和BLF278技术参数1、BLF177外形及参数图2-4 BLF177外形图和电路符号图2-4所示是BLF177的外形和电路符号，其中1是漏极，3是栅极，2和4是源极，属N沟道增强型VMOSFET功率管，有以下特点：（1） 功率增益高。（2） 互调失真低。（3） 功率输出便于调整。（4） 温度稳定性好。（5） 抗负载失配能力强。其他的主要参数包括：漏源击穿电压VDSS（最小110V），栅源门限电压VGSth（24.5V），导通时的漏源间直流电阻RDSon（0.2），正向跨导gfs和极间电容等，对设计高频功率放大器时是极为重要的参数，这里不再详细说明。表2-1 BLF177的RF性能数据 表2-2 BLF177的极限参数 2、BLF278外形及参数图2-5 BLF278外形图和电路符号图2-5所示是BLF278的外形和电路符号，其中1、2为漏极D1、D2，3、4为栅极G1、G2，5为源极S。这是一个双推挽N沟道增强型的VMOSFET功放管。把特性完全相同的两个管芯封装在同一个底座上，专门用作推挽功率放大，提高输出功率，两个管子的源极是通过底座连接在一起的。广泛地应用于VHF频段的全固态广播电视发射设备中。其特点如下：（1） 它为电压控制器件，功率增益高。（2） 具有负的温度系数，温度稳定性好。（3） 栅漏极的反馈电容小，设计和调整方便。（4） 输入、输出阻抗高，容易实现宽带匹配。（5） 效率高达80。（6） 镀金层的电极，保证安全可靠。表2-3 BLF278的RF性能数据（推挽共源连接，25条件下）表2-4 BLF278的极限参数表2-5 BLF278的特性参数（五）大功率MOSFET的使用上述所介绍的两种MOSFET器件的特点都是热稳定性好，抗负载失配能力强，为电压控制器件，以栅极电压VGS控制漏极电流，正向跨导大，控制能力较强。由于输入阻抗高，栅极的电流很小，所以要求激励功率小，功率增益高，但也由于输入阻抗很高，使得栅极感应的电荷不易泄放，由此而产生较高的感应电压，造成栅极的绝缘层容易被击穿而损坏，所以在使用和保存上述器件时应特别注意。1、存放和使用由于MOSFET器件的栅极极易受静电而损坏，是属于静电敏感器件。所以应存放在防静电的包装盒内，或在各极短路的情况下保存。在取用和安装过程中，需要采取防静电措施。操作时操作人员必须带上手套和静电泄放手腕，没有条件的情况下，可先用手摸一下地线的方式，把人体上积聚的静电放掉，以免静电损坏功放管。尤其在冬天干燥的季节，由于衣着物因摩擦而极易感应静电，应特别注意。如没有防静电包装，也可把各极短路后保存。安装新管子或是更换时，应先把器件安装在散热器上，将源极与地良好接触，这时用防静电烙铁或者拔掉电烙铁的电源插头来焊接，每次焊接的时间最好不超过5秒，以保证安装的新管子不被损坏。还有一点应注意，BLF177和BLF278管子内部都含有氧化铍陶瓷，由于这种材料的散热效果特别好而被采用，但氧化铍本身是一种剧毒物质，要求使用者应特别注意，切勿用手直接触摸，更换下的坏管子也不可随意丢弃，应妥善的保管和处理，以防发生人身意外。2、MOSFET的简单测量法BLF177和BLF278的栅源门限电压在24.5V之间，而栅源的极限电压为20V，漏源之间在导通状态下的直流电阻RDS0.20.3，接近于0。利用这一特点，在测量管子时选用MF500型万用表，它的10K电阻档内部接有9V电池，正端为红表笔与电池的负极连接，负端为黑表笔接电池的正极，测量时应先检查表笔是否在正确位置。下面介绍测量方法：（1）正向导通测量：BLF177和BLF278的管脚位置见图2-4和图2-5，首先将红表笔接在源极s上，黑表笔接栅极g上，此时栅源间的电阻很大，表头指示不动，栅、源间的输入电容被正向充电，栅极为正电压，漏源应该导通，这时红表笔不动，将黑表笔接在漏极d上，表头指示为0，说明漏源导通。（2）反向夹断测量：将黑表笔接源极s上，红表笔接栅极g上，由于电阻很大表头指示不动，栅、源间输入电容被反向充电，栅极为负电压，漏源被截止。这时将红表笔接源极s上，将黑表笔接漏极d上，表头指示不动电阻很大，说明管子被夹断。通过上述的测量，我们可以判断功放管是否良好，在调试和维护功放时，如果要测量管子，也可以不必焊下来，只将焊接在周围影响测量的元器件挑开后即可进行。二、30W功率放大器30W功率放大器作为1.2kW功率放大器的前级推动，激励器输出的射频功率信号先经30W前级放大后，去推动末级的4300W功率放大器。电路原理如图2-6所示，分别由输入匹配回路、输出匹配回路、功放管、栅极偏置电路和电源部分组成。30W前级功放的输入端串有一个20W、50/4dB衰减器，一是防止过大激励的输入，二是阻止由于阻抗失配而反射的功率串入激励器。为防止放大器产生震荡加入反馈电路。输入匹配电路是将输入端的50阻抗，通过一个LC匹配电路采用切比雪夫微带变阻滤波器与BLF177的栅极输入阻抗相匹配，C3微薄膜介质可调电容器，通过调整C3可改变其谐振点，使输入匹配为最佳点。它的输出匹配电路采用与输入匹配同样的阻抗变换电路，使输出端的50负载阻抗与BLF177的漏极阻抗相匹配。C15是将电源电压与输出端隔离并参与阻抗匹配，在输入、输出电路中使用切比雪夫滤波器型的阻抗匹配网络，即完成阻抗匹配，还可有效地除去谐波分量，其原理和计算可参阅有关资料。输入和输出匹配电路中的所有电感均为微带线的形式，在原理图上没有标出位号，以粗黑线的形式表示。电容器采用高品质的多层陶瓷片状电容，以消除引线电感对电路的不稳定因素。栅极偏置电路除提供BLF177的门限电压外，还具有载波关断功能。由于所用的BLF177功放管是N沟道增强型的，其栅极的栅偏压为正电压，由稳压二极管D4（4.7V）提供一个稳定的电平，调整电位器RP2来完成栅偏压的设置。载波关断功能：当功率放大器在没有正常工作之前，也就是功放管V1在没有加上漏极电源时，这时的V1应处于关断状态。当功放电源正常时，来自控制板的12V电压送到XS3-5上，使晶体管V3的基极偏置电压为负，V3被截止，这时场效应管V1的栅偏压为正常设置，V1为导通状态。当功放电源不正常时，控制板送到XS3-5上的电平为0V，通过R24和R26的分压使V3处于导通状态，这时XS3-1上的12V电压通过V3后与原来的正常偏压一起加在V1的栅极上，使栅极偏压为约9V的电压，V1被反向关断，30W功放输出为0。图2-6 30W功率放大器电原理图三、300W功率放大器300W功率放大器（简称300W功放模块）采用的是大功率场效应管BLF278，该功放管是在同一芯片工作的特性完全相同的两个管子，专门用作推挽功率放大。其特点已在上节中详细介绍过。由于BLF278的输入、输出阻抗很高，容易实现宽带匹配，因此功放电路简单，工作稳定可靠，不需调整即可覆盖整个FM广播频段，这一点是电子管功放的发射机所无法相比的。300W功放模块的电路包括：输入匹配电路、功放管、输出匹配电路和栅极偏置电路。电路原理图如图2-7所示。它的栅极偏置电路较30W功放的偏置电路简单，由监测单元提供的偏置电压经4.7V的稳压管VD1和VD2后，同时供给V1（BLF278）的两个栅极，两个栅极的偏压大小由监测单元的偏置电路自动设置并且保持一致。在V1的两个漏栅之间所加的并联反馈电路：R4、R5、R6、R7，用于改善放大器的频率特性，且用来拟制寄生振荡。图2-7 300W功率放大器电原理图300W功放模块所采用的是推挽放大，它的输入、输出匹配电路与30W功放的电路有所不同，方框图如图2-8所示。首先要将不平衡输入端口变为反相的两个平衡端口。图2-8 300W功放模块方框图（一）对称同轴不平衡平衡阻抗变换器图2-9 简单同轴不平衡平衡阻抗变换器图2-9为简单同轴不平衡平衡阻抗变换器。同轴线的外导体端接地，端不接地，故端口为不平衡输入端口，端口为等幅反相输出端口。其等幅反相原理是电荷守恒原理，即同轴传输线的任一截面处，内外导体的电流大小相等而相位相反。从端看，它与射频地之间还存在一段寄生线L2（漏损线），L2和L1等长，其电抗为jX2。如果不考虑漏损线L2的影响，该阻抗变换器的带宽理论上是无限的。然而在宽带工作时，漏损线L2的影响不能忽略，若取L1g/4，则。式中是角频率，V是漏损线的相速，L2L1则jX2呈现感抗。随着频率降低，jX2也随之下降，使端口对射频地的隔离下降，该端口的阻抗变换失衡。为了补偿漏损线对不平衡平衡阻抗变换器的影响，在端口与射频地之间加上与L1等长的同轴线L3，这样平衡端口与输入端口射频地之间形成的终端短路线L2和L3是对称的。如图2-10所示。L2和L3的电抗效应和阻抗变换器的性能相关，L2和L3对称（L2L3，Z2Z3），则结构形式本身从理论上就确保了这种不平衡平衡阻抗变换器的完美平衡。由于、端口对射频地的隔离相平衡，且L2和L3的特性阻抗较高，近倍频程量级工作带宽是可以保证的。图2-10 对称同轴不平衡平衡阻抗变换器输出端的平衡不平衡阻抗变换器是输入端不平衡平衡阻抗变换器的倒置，将平衡的50输出变为不平衡的50输出。300W功放模块的平衡不平衡阻抗变换电路，除W1采用同轴线外，其余均采用了微带线来替代同轴线。（二）输入、输出匹配电路经不平衡平衡阻抗变换后，平衡的50输入阻抗对每个单管来说是25。如果采用1:4变压器进行阻抗变换对每个单管来说是12.5。再通过切比雪夫微带变阻匹配滤波器与BLF278的栅源极阻抗匹配，调整输入端的C1可变电容，使输入匹配为最佳状态。输出匹配回路也采用同样的电路，使漏源极输出阻抗与平衡的50相匹配。输入、输出匹配均为宽带设计，而输出匹配电路在设计时以提高输出功率和效率为主。 由于功放管的输入、输出阻抗均为复数，阻抗匹配的目的是指在变换负载阻抗时，使虚数部分与信号源阻抗的虚数部分相抵消的同时，得到所需要的实数值，而在理论上又没有损耗的电路。应满足以下条件： 应无损耗地通过所需要的信号； 应对杂散信号有足够的抑制； 在所需要的工作频段内，应使信号源与负载匹配。 所以输入、输出匹配电路通常要通过LC匹配网络来实现。LC匹配网络可以由分立元器件组成，也可由分布参数的元件来完成，须根据放大电路的具体情况而定。低频小功率场合可用分立元器件完成，高频大功率场合则基本采用分布参数的元件来完成。以上匹配电路中的电感均采用微带线（原理图中的粗黑线表示），而电容采用无感的多层陶瓷片状电容器。这是因为在高频功率放大电路中，元器件的引线寄生电感会造成振荡，使电路工作不稳定。由于300W功率放大器采用调谐回路作为负载的谐振功率放大器，调谐回路具有滤波能力，其输出的电压与电流近似于正弦波，失真很小。300W功率放大器的功放管漏极电压48V，栅偏压为2V左右，放大器工作于丙类状态，功率增益达18dB，效率优于75。在FM频段内不需调整即能满足输出功率的要求。 四、1.2kW功率放大器1.2kW功率放大器作为1kW调频广播发射机的末级功率放大器，在87108MHz频率范围内输出功率不小于1kW，采用强制风冷散热，整个电路安装在一个19吋宽、5U高的标准机盒内。其中包括如下部件： 30W前级功放 4个300W功放模块 功率分配器（4分配） 功率合成器（4合成） 带有定向耦合器的谐波滤波器 控制单元图2-11所示是1.2kW功率放大器的电路原理图。激励器输出的射频信号（RF）经一段同轴电缆送入30W前级功放，放大后的RF输出功率经由微带线4路功率分配器，分为4路幅度相同，相位相同的信号给4个300W功放模块。工作于宽带和丙类状态下的4个300W功放，在FM频段内改变频率时不需要进行调整就可满足输出的需求，在额定输出功率不小于1kW时，每个功放至少提供260W的输出。4路300W功放输出的4个幅度相同、相位相同的信号，经微带4路功率合成器合成，合成后的信号再经过一个低通滤波器和定向耦合器后输出至终端负载。低通滤波器具有很好的阻带特性，使1.2kW功率放大器输出端的谐波抑制完全符合技术要求。定向耦合器耦合输出3路信号：一路供射频检测（指标测试用），另两路为入射、反射检测去控制单元。功放中还设有温度检测功能，75常开型的温度继电器安装在功率合成的平衡电阻附近。当其中某个300W功放模块故障时，合成器的平衡电阻将吸收两路信号不平衡的功率损耗，而产生热能向周围扩散。图2-11 1.2KW功率放大器电原理图在30W前级功放中设有AGC控制电路，当功放过温或输出驻波较大（VSWR1.5）时，控制单元的AGC电路送来一个控制电平，使30W输出功率减小，从而使总输出功率减小，防止功率放大器的损坏。1.2kW功率放大器的技术参数：频率范围：87108MHz输入功率：1.52W输出功率：1kW负载阻抗：50电源电压：48Vdc控制电压：12V，5Vdc（一）功率分配器与合成器在全固态的发射机中为了获得更高的输出功率，必须通过多个功率放大器单元的并联工作来实现。为了支持多个功率放大器单元的正常工作，需要对输入功率进行分配和对输出功率进行合成，而分配器和合成器在电路形成上是相同的，是一种倒置关系。在目前，发射机所采用的功率分配和合成的方式较多，包括有：（1）900移相3dB功率合成器；（2）1800反相3dB功率合成器；（3）同相二等分功率合成器（也称威尔金逊合成）；（4）多路功率直接合成法（也称吉赛尔合成）。其中以微带线制成的微带功率分配器与合成器，其制作简单容易，且不存在无用输出端即吸收负载端，应用方便，适用于中、小功率的分配与合成。我们先分析一下N路平衡型功率分配（合成）器的工作原理。图2-12所示为N路功率分配器。图1-12 N路功率分配器输入端与N个特性阻抗为ZC的阻抗变换节相连，然后再与N个负载相连，同时在各输出端之间为避免相互干扰而接入N个平衡隔离电阻Ri。设输入端的信号源内阻为RS，负载电阻为RL。那么各路的阻抗变换节的特性阻抗为：式（2-1）其中N为功率分配器的路数。由于电路结构的对称性，将使输入功率被分成大小相等的N路输出，当输出各路均接匹配负载RL时，只需各路信号所经过的电长度相同（都是），各输出端将处于同电位，因而输出端口和公共结点间的隔离电阻Ri并不消耗任何功率。加入输出口之一由于某种原因使信号发生了反射，此反射信号的功率也将分路，一部分直接经过这些隔离电阻传至其余各输出口，而其余的功率将返向输入端口，并在各路支线汇集处再度分配，于是又重新经由各支线传至各输出端口。因此，某一端口的反射信号将经两种途径传至其余各输出端口，而两种途径的电长度并不相同，当隔离电阻尺寸很小，可认为它的电长度近似为零，支线阻抗变换节的电长度在中心频率处（），因而往返二次的电长度为。可见两种不同途径到其余各输出端口的反射信号相位正好相反，相互抵消。由此可见，只要隔离电阻Ri选得与负载电阻RL一样，且变换节特性阻抗满足式（2-1），则两种途径的反射幅度将是相等的，而相位相反，因而相互抵消，实现了各输出口之间相互隔离的目的。图2-13所示为N路功率合成器。当N个功率放大器以相同振幅、同相工作时，没有电流流过隔离电阻，每个放大器的输出功率P0经过的阻抗变换节馈到负载RL上，这时负载上的功率为：PLNP0。图2-13 N路功率合成器1.2kW功率放大器中采用的微带功率分配器和合成器，利用两个同相等功率二合成（分配）级联来完成的。整个分配或合成电路是印制在一块双面覆铜的聚四氟乙烯玻璃布板上，这种材料的印制板介电常数比较稳定，介质损耗小，温度特性好，而被普遍应用于高频电路。图2-14所示为四分配器和合成器的结构图。图2-14 四分配器和合成器已知输入阻抗RS50，负载阻抗RL50，根据式（2-1）可计算出各支线阻抗变换节的特性阻抗：两支线间的平衡隔离电阻为：各支线的阻抗变换节为聚四氟乙烯玻璃布板上印制的微带线，其电长度为中心频率98MHz时的波长，而这个电长度可以由下列公式计算出：式（2-2）式（2-2）中0是空气中微带线的波导波长（），e为介质的有效介电常数。这种形式的功率分配器与合成器，一般的输入（输出）端的隔离度很容易做到大于20dB以上，而且驻波比（SWR）可做到1.1以内，可用带宽为1020。采用多级级联的形式可以使分配（合成）的路数成倍增加，但多级级联的分配器和合成器的可用带宽要比单级使用时的带宽窄的多，且外形尺寸也变大，所以在多路功率合成时，往往采用直接合成法。在功率合成的过程中，如果每路功率放大器的输出均正常，那么合成器中的平衡隔离电阻没有电流通过，也就是说不消耗功率。当某一路或几路功率放大器出现故障没有输出时，通过功率合成器则仅有部分功率送到输出端输出，其余功率均被平衡隔离电阻吸收消耗。假设有m路功率放大器进行合成，当有n路放大器停止工作时，合成器的输出功率与平衡隔离电阻上所消耗功率的关系可由以下公式计算：式（2-3）式（2-4）式（2-3）、（2-4）中，Pout为合成器的输出功率，P0为单路功率放大器的额定功率，Pb为平衡隔离电阻上消耗的功率。例如，P0300Wm4n1（有一路功放故障）则Pout675WPb225W说明1.2kW的功率放大器输出只有675W，平衡电阻上消耗225W。P0300Wm4n2（有两路功放故障）则Pout300WPb300W说明1.2kW的功率放大器输出只有300W，平衡电阻上消耗300W。在本章的功率放大器电路和功率分配（合成）电路中，都采用了微带传输线的形式结构。下面将简单介绍微带传输线的特性及应用，以便大家理解和认识。（二）微带传输线微带传输线（简称微带线）是传输线的一种形式，是由传输线演变而成。作为一种微波集成传输线被广泛应用于微波电路。由于可用光刻程序制作，容易与其他无源微波电路和有源微波器件集成，实现部件和系统的集成化，随着大功率的晶体管和场效应管的出现，已被广泛地应用于广播通信设备上。图2-15 微带线及其场结构微带线是在坚固的厚度为h的介质基片的一面制作成宽度为w、厚度为t的导体带，另一面作接地金属平板而构成的，如图2-15（a）所示。可通过在介质基片上沉积薄膜导体和覆铜板腐蚀等方法实现。按照微波理论分析，制作微带线的理想基片材料应具有下列特性：（1） 高介电常数，低损耗；（2） 介电常数在工作频率和温度范围内应保持恒定；（3） 纯度高、均匀，表面光洁度高，热传导性好。常用的介质基片材料有高纯度的氧化铝陶瓷（r9.510，tg0.0003）、聚四氟乙烯（r2.1，tg0.0004）和聚四氟乙烯玻璃布板（r2.552.7，tg0.008）。对于导体材料的要求是导电性能好，易于制作和焊接性好。从图2-15（b）所示的场结构图中可知，由于导体带的上方为空气，导体带的下方为介质基片，所以大部分场在介质基片内集中在导体带与接地板之间，而另一部分场分布在基片上面的空气区内，因此微带线不可能存在纯TEM模。因为TEM模在两种介质内的相速度不同，一种是相速度c，一种是相速度，所以相速度在介质空气分界面处不可能对TEM模匹配。但实际上微带线中真正的场是一种混合的TETM波场，其纵向场分量与导体带和接地板之间的横向场分量相比很小，所以微带线中传输模的特性与TEM模相差很小，称之为准TEM模。在工作频率小于1GHz以下时，可将其模式看成纯TEM模。1、微带线的特性阻抗在分析微带线特性时常采用准静态法，引入有效介电常数为e的均匀介质代替微带线的混合介质，导带厚度与介质厚度比1，因此，假设t0，微带线的特性阻抗ZC表示为：式（2-5）其中是空气中微带线的特性阻抗，空气的相对介电常数re1。相速度P和波导波长g则为：式（2-6）式（2-7）由于电力线部分在介质基片内，部分在空气中，显然有1er，e的大小取决于基片厚度h和导体带宽度w，在引入e后，先求出空气微带线的特性阻抗和有效介电常数e，再计算出微带线的特性阻抗ZC。t0的导体带空气微带线的特性阻抗可用保角变换方法求得为：式（2-8）式中K(k)和K(k/)分别是第一类全椭圆积分和第一类余全椭圆积分，由于式中包含复杂的椭圆函数，不便使用。哈梅斯泰特用对精确准静态解作曲线拟和近似得到的如下特性阻抗公式可用于微带线电路的设计：（w/h1）（w/h1）式（2-9）在0.05w/h20，r16范围内，上式的精度优于1。上式是在t0的情况下，而实际上导体带厚度t0，这时的导体带宽度应加以修正为we： 式（2-10）由以上公式可知，微带线的宽高比和相对介电常数r知道，即可求得它的特性阻抗ZC。事实上，往往是已知特性阻抗ZC和r，而要求知。在一些相关资料里已将微带线在不同介质（r）上的特性阻抗ZC与宽高比的计算数据列成表格，以供在设计和分析电路时方便查阅。2、微带线的特性和应用微带线既然是一种传输线，它就具有同轴线一样的传输线的特性，由式（2-9）可以看出，微带传输线的特性阻抗同样是与频率无关的常数，只取决于它的宽高比（）和介质材料。假设微带线的特性阻抗为ZC，微带线的负载阻抗为ZL，那么微带线上的任一点d的阻抗Zin(d)定义为该点的电压与电流之比，由传输线理论公式可推导出：（对于无耗线）式（2-11）式（2-11）中，为相位常数，可表示为，g为介质中有效介电常数下的波长。这表明，微带线上任一点d的阻抗与该点的位置d和负载阻抗ZL有关，d点的阻抗可看成由d处向负载看去的输入阻抗。由式（2-11）可见微带线具有以下特性：（1）微带线阻抗随位置d而变，分布于沿线各点，且与负载有关，是一种分布参数阻抗，由于在微波频率下，电压和电流缺乏明确的物理意义，不能直接测量，所以微带线阻抗也不能直接测量，可以通过反射参量和驻波参量的测量来确定。（2）微带线具有阻抗变换作用，ZL通过线段d变换成Zin(d)，或Zin(d)通过线段d变换为ZL。（3）微带线的阻抗呈周期性变化，具有/4变换性和/2重复性。当ZL0时，即负载阻抗短路，则。当时，Zin(d)0呈感性。当时，Zin(d)0呈容性；而负载开路时ZL，则反之。当时，则Zin(d)ZL；当时，则Zin(d)ZC2/ZL。由于微带线的以上这些特性，而被广泛地应用于VHF和UHF的功率放大器的输入、输出匹配回路，功率分配器和合成器、滤波器等电路。在应用微带线时还应考虑它的传输损耗，尤其在大功率工作的情况下，微带线的传输损耗是由基片的介质损耗、导体带的电阻损耗以及辐射造成的损耗组成。这些损耗中又以介质损耗和导体带的电阻损耗为主，所以在选择材料和加工时是非常重要的。五、谐波滤波器和定向耦合器（一）谐波滤波器调频广播发射机的谐波滤波器大多数采用低通滤波器形式，它的作用是把高频功率放大器输出的射频信号中的高次谐波分量抑制到最小程度，并符合有关对广播电视发射设备的谐波抑制的要求，然后再将射频信号通过天线向外辐射。国家标准中对调频广播发射机的谐波辐射的强度规定为：发射功率大于25W时，谐波辐射功率小于1mW，并低于载波功率60dB；发射功率小于或等于25W时，谐波辐射功率小于25W，并低于载波功率40dB。因调频广播发射机的二次以上谐波均落入电视广播的频段，谐波辐射过大会造成对电视接收的干扰，所以谐波抑制作为一项重点指标来衡量发射设备是否合格。构成谐波滤波器的形式很多，主要有集总参数滤波器、分布参数滤波器和半集总、半分布参数滤波器。集总参数滤波器多用在低功率或发射频率较低的场合，分布参数滤波器多应用在高频大功率的发射设备上。分布参数滤波器包括：同轴线滤波器、带状线滤波器和微带线滤波器。螺旋线滤波器是同轴线滤波器的变型，在VHF/UHF频段广泛用作带通和带阻滤波器。在调频广播发射机的输出端基本使用的都是前三种形式的谐波滤波器。调频广播发射机的谐波滤波器大多采用的是切比雪夫或椭圆函数低通滤波器。这种技术的优点是损耗小、传输的射频电流较大，调整方便易维护。1.2kW功率放大器的谐波滤波器安装在一个带有顶盖和底板（印制板）的封闭盒内，这个封闭盒构成接地的外导体，电路的内导体是一个完整的镀银铜带。直观上看，带状线可以视为由同轴线演变而成：将同轴线的内外导体变成矩形，令其窄边延伸至无限远便成了带状线。带状线的内、外导体间为均匀介质填充，可传输TEM导波，带状线的传输特性和同轴线、微带线一样，具有阻抗变换的作用和阻抗呈周期性变化的特点，在高频电路中应用于分配器、合成器和滤波器等。图2-16所示为1.2kW功率放大器的谐波滤波器的等效原理图，是一个七阶椭圆函数型低通滤波器，串联谐振电路的电感为带状线，对应的电容为损耗极低的微带线（图中标*的电容），并在每一个电容上都并联一个补偿可变电容，目的是使滤波器的通带特性和带外衰减为最佳状态。调整C9和C11可以使截止频率处的衰减最大，调整C10可使输入匹配最佳，使带内波动减小。椭圆函数型的低通滤波器其特点比较平坦，使输入端和输出端之间的阻抗容易匹配，在截止频率附近的衰减大，衰减上升快。滤波器设计和调整好后，不需要特别的维护，便于使用。图2-16 低通滤波器电原理图谐波滤波器技术参数如下：通频带：87108MHz输入功率：1.2kW输入阻抗：50