第3章高频功率放大器3.1内容提要和知识结构框图〖1〗1. 内容提要高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。它是一种能量转换器件，将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。
通信中应用的高频功率放大器，按其工作频带的宽窄划分为窄带和宽带两种。窄带高频功率放大通常以谐振电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器；宽带高频功率放大的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。本章主要讨论调谐功率放大器，而对宽带高频功率放大器仅作一简要介绍。
高频调谐功率放大器也是以谐振电路作为集电极负载，完成阻抗匹配和滤波功能，故又称为调谐功率放大器。要注意它和小信号调谐放大器的主要区别。
本章所涉及的内容主要有调谐功放的用途与特点，调谐功率放大器的工作原理、功率和效率的意义和计算，区别五种功率和两种效率，调谐功率放大器的动态特性以及工作状态分析，调谐功率放大器的实用电路，功率晶体管的高频效应，倍频器等。
根据调谐功率放大器在工作时是否进入饱和区，可将放大器分为欠压、临界和过压三种工作状态。要熟练掌握调谐功率放大器的三种工作状态及其判别方法和阻抗变换问题。要重点掌握外部参数包括RC、EC、Eb、Ubm变化对放大器工作状态的影响，分别得到的调谐功放的负载特性、集电极调制特性、基极调制特性、振幅特性。要注意这几个特性的意义和用途，特别是调谐功放的调制特性，为第5章振幅调制与解调的学习打好基础。第5章中高电平基极和集电极调幅电路就是基于调谐功放的基极调制特性、集电极调制特性来实现的。
2. 知识结构框图
本章知识结构框图如图31所示。第3章高频功率放大器通信电子电路学习指导(第3版)图31知识结构框图
3.2本章知识点
1. 调谐功放的用途与特点(与小信号调谐放大器进行比较)(重点)
2. 调谐功率放大器的工作原理(重点)
（1） 基本原理电路;
(2) 晶体管特性的折线化;
(3) 晶体管导通的特点、导通角;
(4) 集电极余弦脉冲电流分析;
(5) 槽路电压。
3. 功率和效率，区别五种功率和两种效率(重点)
4. 调谐功率放大器的工作状态分析(重点、难点)
(1) 调谐功率放大器的动态特性;
(2) 调谐功率放大器的三种工作状态及其判别方法;
(3) Rc、Ec、Eb、Ubm变化对放大器工作状态的影响;
(4) 不同工作状态下电流、电压与Rc的关系;
(5) 不同工作状态下功率、集电极效率ηc与Rc的关系。
5. 调谐功率放大器的实用电路
(1) 直流馈电电路(重点)；
(2) 自给偏压环节——基流偏压与射流偏压(重点、难点)；
(3) 输入、输出匹配网络。
6. 功率晶体管的高频效应(难点)
(1) 功率晶体管的电流放大倍数；
(2) 晶体管高频工作时载流子渡越时间的影响;
(3) 晶体管高频工作时对饱和压降的影响。
7. 倍频器(重点)
(1) 丙类倍频器的原理电路及波形;
(2) 丙类倍频器的工作原理。
8. 集成高频功率放大电路及应用简介
9. 宽带高频功率放大器
(1) 传输线变压器;
(2) 功率合成器。
3.3重点及难点内容分析[*4/5]3.3.1调谐功放的用途与特点高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换为高频交流输出。
高频调谐功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件，它也以谐振电路作为集电极负载，完成阻抗匹配和滤波功能，故又称为调谐功率放大器。它和小信号调谐放大器的主要区别列于表31。表31调谐功放和小信号调谐放大器的比较比较项目调 谐 功 放小信号调谐放大器电路输入信号大（为几百毫伏到几伏）小（在微伏到毫伏数量级）晶体管工作区域晶体管工作延伸到非线性区域——截止和饱和区线性区工作状态丙类甲类输出功率大小功率增益小大（通过阻抗匹配）通信中应用的高频调谐功率放大器，按其工作频率、输出功率、用途等的不同要求,可以采用晶体管或电子管作为功率调谐放大器的电子器件。晶体管有耗电少、体积小、重量轻、寿命长等优点，在许多场合应用。本章主要讨论晶体管调谐功率放大器。但是对于千瓦级以上的发射机大多数还是采用电子管调谐功率放大器。
3.3.2折线近似分析法——晶体管特性的折线化
所谓折线近似分析法，是将电子器件的特性理想化，每条特性曲线用一组折线来代替。这样就忽略了特性曲线弯曲部分的影响，简化图32晶体管转移特性
及其折线化了电流的计算，虽然计算精度较低，但仍可满足工程的需要。
图32用实线画出了折线后晶体管的转移特性。图中虚线是晶体管静态特性。由图可见，输入特性可用两段直线OA和AB近似。
折线化后的AB线斜率为g（约几十至几百毫安/伏）。此时，理想静态特性可用下式表示ic=g(ube－Uj),ube>Uj
0,ube<Uj(31)折线近似分析法可以使计算简化，在一定程度上能反映出特性曲线的基本特点。对于分析大幅度电压或电流作用下的非线性电路有一定的准确度。常用来分析大信号调幅、检波和调谐功率放大器。
3.3.3调谐功率放大器的工作原理[*4/5]1. 基本原理电路调谐功率放大器的基本原理电路如图33所示。输入信号经变压器T1耦合到晶体管基射极，这个信号也称为激励信号。Ec是直流电源电压；Eb是基极偏置电源电压。这里Eb和小信号调谐放大器的偏置不同，是采用反向偏置，目的是使放大器工作在丙类。L，C组成并联谐振回路，作为集电极负载，这个回路也称为槽路。放大后的信号通过变压器T2耦合到负载RL上。
图33调谐功率放大器原理电路
在实际工作中，为了节省电源，可以不加偏置，或采用自给偏压环节代替Eb。
2. 晶体管导通的特点、导通角
由于调谐功率放大器采用的是反向偏置，在静态时，管子处于截止状态。
设输入信号为ub=Ubmcosωt(32)则加到晶体管基射极的电压为ube=Ubmcosωt-EbEb为绝对值，当激励信号ub足够大，超过反偏压Eb及晶体管起始导通电压Uj之和时，管子才导通。这样,管子只有在一周期的一小部分时间内导通。所以集电极电流是周期性的余弦脉冲，波形如图34所示。管子导通的时间可用角度θ衡量，θ被称为导通角。当θ=180°时，表明管子整个周期全导通，称为放大器工作在甲类；当θ=90°时，表明管子半个周期导通，称为放大器工作在乙类；当θ<90°时，表明管子导通不到半个周期，称为放大器工作在丙类。
图34折线法分析非线性电路电流电压波形
将ube表示式代入式（31）可得ic的表达式： ic=g(Ubmcosωt-Uj-Eb)(33)当ωt=θ时，ic=0，即g(Ubmcosθ-Uj-Eb)=0解方程得到cosθ=Uj+EbUbm(34)导通角是调谐功率放大器的重要参数，由式（34）可以看出，在一定的(Uj+Eb)下，激励越强（即Ubm越大），则θ越大；而在一定的激励下，(Uj+Eb)越大，θ越小。在放大器的调整中，通过调整Eb就可控制θ到所需值。由于晶体管起始导通电压的影响，即使Eb等于零，导通角也小于90°。
3. 集电极余弦脉冲电流的分析
周期性余弦脉冲电流ic可用傅氏级数展开为ic=Ic0+∑∞n=1Icnmcosnωt(35)直流分量Ic0为Ic0=12π∫π-πicdωt=12π∫π-πIcmaxcosωt-cosθ1-cosθdωt
=Icmaxsinθ-θcosθπ(1-cosθ)=Icmaxα0(θ)(36)按照类似的方法，可求得各次基波、谐波的幅值。基波分量幅值为Ic1m=Icmaxθ-sinθcosθπ(1-cosθ)=Icmaxα1(θ)(37)对于n次谐波的幅值为Icnm=Icmax2(sinnθcosθ-ncosnθsinθ)πn(n2-1)(1-cosθ)=Icmaxαn(θ)(38)α0(θ),α1(θ),αn(θ)分别称为余弦脉冲的直流、基波、n次谐波的分解系数。一般可简写为α0，α1,αn。
为了使用方便，将几个常用系数与θ的关系绘制在图35中。根据以上讨论，可得出如下结论： 调谐功率放大器的激励信号大，它的转移特性曲线可用折线近似。在余弦信号激励时，只要知道电流的导通角θ，就可求得各次谐波的分解系数α。若电流的峰值也已知，电流各次谐波分量就完全确定。利用这种方法分析非线性回路，计算十分方便。
图35余弦脉冲分解系数曲线
4. 槽路电压
在调谐功率放大器中，槽路是调谐在信号基波频率的，槽路对基波具有最大的阻抗，并且表现为纯电阻性，而对于其他谐波，其阻抗要小得多，甚至可以忽略不计（当槽路的品质因数足够高时）。所以可以认为，槽路电压基本上是一个正弦波——即基波。这样，虽然集电极电流是余弦脉冲，但借助于槽路的选频作用，仍可获得基本正弦的电压输出。
集电极电压uce的波形如图34所示。晶体管集电极电压为uce=Ec-Ucmcosωt(39)式中，Ucm是槽路(抽头部分)电压幅值： Ucm=Ic1mRc(310)Rc是集电极等效负载电阻，也即槽路调谐在基波频率时，并联谐振电阻R折算到抽头部分的数值，即Rc =N0 N1 2 R=N0 N1 2 QLωL(311)应该注意的是,上述计算中没有考虑晶体管的输出阻抗，这是因为调谐功率放大器的负载一般远小于晶体管输出阻抗，在计算中可以忽略它的影响。
3.3.4功率和效率
从能量转换方面看，放大器是通过晶体管把直流功率转换成交流功率，通过槽路把脉冲功率转换为正弦功率，然后传输给负载。在能量的转换和传输过程中，不可避免地产生损耗，所以放大器的效率不能达到100％。功率放大器功率大，电源供给、管子发热等问题也大。为了尽量减小损耗，合理地利用晶体管和电源，必须了解功率放大器的功率和效率问题。1. 调谐功率放大器五种功率
(1) 电源供给的直流功率PS： PS=EcIc0（312）(2) 通过晶体管转换的交流功率，即晶体管集电极输出的交流功率Po： Po=12UcmIc1m=12I2c1mRL=12U2cmRL(313)(3) 晶体管在能量转换过程中的损耗功率，即晶体管损耗功率PC： PC=PS-Po(314) (4) 槽路损耗功率PT。
槽路损耗功率PT是槽路空载电阻R0所吸收的功率即PT=U2m2R0=U2m2Q0ωL(315) 式中，Um为槽路两端的电压幅值。
(5) 通过槽路送给负载的交流功率，即RL上得到的功率PL： PL=Po-PT(316) 2. 两种效率 
(1) 集电极效率ηc
晶体管转换能量的效率叫集电极效率，以ηc表示，其计算式为ηc =Po PS =UcmIc1m 2EcIc0=12Ucm Ec α1Ic max α0Ic max =12α1 α0 Ucm Ec (317)式（317)说明ηc与比值α1α0,UcmEc成正比。
α1α0是集电极电流利用系数。α1α0也是θ的函数，图35所示曲线表明，θ越小，α1α0越大。在极限情况下，θ=0，α1α0=2，即基波电流为直流电流的两倍。在实际工作中θ也不宜太小，因为θ小，虽然α1α0大，但α1太小，则Ic1m也小，就会造成输出功率过小。
为了兼顾输出功率和效率两个方面，通常取θ=40°～70°为宜。这时α1α0=1.7～1.9，与极限值2比较，下降不多。
UcmEc是集电极基波电压幅值与直流电源电压之比，称为集电极电压利用系数。基波电压幅值为Ucm=α1IcmaxRc(318)它与负载、激励大小及导通角有关。不论由于上述什么原因使Ucm增大时，则UcmEc也增大，从而使ηc提高。
(2) 槽路效率ηT
槽路将交流功率Po传送给负载的效率叫槽路效率,以ηT表示，其计算式为ηT=PL Po =Po- PT Po (319)图36是负载折算到槽路的等效回路，Um为回路两端的电压幅值。由图可以看出，负载功率PL是R′L所吸收的功率，槽路损耗功率PT是槽路空载电阻R0所吸收的功率；而集电极给出的基波功率Po相当于总电阻R所吸收的功率。这些功率都可用槽路电压和各有关电阻表示。即图36负载折算到槽路的等效
回路及其功率关系
Po =U2m2R=U2m2QLωL
PT =U2m2R0 =U2m2Q0ωL将以上两式代入式（319）可得


ηT=Po- PT Po =U2m2QLωL - U2m2Q0ωLU2m2QLωL=Q0- QL Q0 (320)式(320)表明，ηT决定于槽路的空载与有载品质因数。Q0越大，QL越小，则ηT越高。实际上，由于受到槽路元件质量的限制，Q0不可能很大，一般只有几十到几百。QL也不能太小，否则槽路滤波效果太差，输出波形不好，一般至少要QL=5～10。
综上所述，为了尽可能利用小功率容量的管子和电源，输出较大的功率，应力求ηc和ηT高，ηc高要适当选取θ，电压利用系数尽可能大；ηT高，要求槽路空载品质因数Q0大，即应选用低损耗的电感和电容元件。3.3.5调谐功率放大器的欠压、临界和过压三种工作状态分析
为了讨论调谐功率放大器不同工作状态对电压、电流、功率和效率的影响，需要对调谐功率放大器的动态特性进行分析。1. 调谐功率放大器的动态特性
调谐功率放大器的动态特性是晶体管内部特性和外部特性结合起来的特性（即实际放大器的工作特性）。晶体管内部特性是在无载情况下，晶体管的转移特性（见图32）。晶体管外部特性是在有载情况下，晶体管输入、输出电压（ube，uce）同时变化时，ic～ube，ic～uce特性。
放大区动态特性由下列三个方程求得： 
内部特性方程ic =g(ube- Uj)(321)外部特性方程ube = - Eb +Ubm cosωt
uce =Ec- Ucm cosωt(322)将ube代入式（321），得ic=g(-Eb+Ubmcosωt-Uj)(323) 由于uce=Ec-Ucmcosωt，则有cosωt=Ec- uce Ucm 代入式（323）得ic =g-Eb- Uj +Ubm Ec- uce Ucm (324)在回路参数、偏置、激励、电源电压确定后，ic=f(uce)。它表明放大器的动态特性是一条直线，只需找出两个特殊点，就可把动态线绘出。例如，要确定静态工作点Q和起始导通点B。
对于静态工作点Q，其特征是uce=Ec，代入式（324）得ic =g(-Eb-Uj)=-g(Uj+Eb)由于调谐功率放大器的Eb和Uj恒为正，所以ic为负值。Q点的坐标值（见图37）为Q［Ec,-g(Uj+Eb)］Q点位于横坐标的下方，即对应于静态工作点的电流为负，这实际上是不可能的，它说明Q点是个假想点，反映了丙类放大器处于截止状态，集电极无电流。
图37调谐功率放大器的动态特性
对于起始导通点B，其特征是ic=0，代入式（324）得0=g -Eb- Uj +Ubm Ec- uce Ucm 解方程得