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PCB設計射頻功率放大器

射頻功率放大器的電路特點與主要參數

射頻功率放大器是各種無線發射機的主要組成部分。在發射機的前級電路中,調制振蕩電路所產生的射頻信號功率很小,需要經過一系列的放大(如通過緩沖級、中間放大級、末級功率放大級放大),以獲得足夠的射頻功率后,才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率,必須采用射頻功率放大器。設計射頻功率放大器電路時需要對輸出功率、激勵電平、功耗、失真、效率、尺寸和質量等問題進行綜合考慮。

射頻功率放大器的工作頻率很高(從幾十兆赫茲一直到幾百兆赫茲,甚至到幾吉赫茲),按工作頻帶分類,可以分為窄帶射頻功率放大器和寬帶射頻功率放大器。窄帶射頻功率放大器的頻帶相對較窄,一般都采用選頻網絡作為負載回路,如LC諧振回路。寬帶射頻功率放大器不采用選頻網絡作為負載回路,而是以頻率響應很寬的傳輸線作為負載,這樣它可以在很寬的范圍內變換工作頻率,而不必重新調諧。

根據匹配網絡的性質,可將功率放大器分為非諧振功率放大器和諧振功率放大器。非諧振功率放大器的匹配網絡(如高頻變壓器、傳輸線變壓器等非諧振系統)的負載性質呈現純電阻性質。而諧振功率放大器的匹配網絡是諧振系統,它的負載性質呈現電抗性質。

射頻功率放大器按照電流導通角θ的不同分類,可分為甲(A)類、甲乙(AB)類、乙(B)類、丙(C)類。甲(A)類放大器電流的導通角θ=180°,適用于小信號低功率放大狀態。乙(B)類放大器電流的導通角θ=90°。甲乙(AB)類介于甲類與乙類之間,90°<θ<180°;丙(C)類放大器電流的導通角θ<90°。乙類和丙類都適用于大功率工作狀態。丙類工作狀態的輸出功率和效率是這幾種工作狀態中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類狀態,但丙類放大器的電流波形失真太大,只能用于采用調諧回路作為負載的諧振功率放大的場合。由于調諧回路具有濾波能力,故回路電流與電壓仍然接近于正弦波形,失真很小。

射頻功率放大器還有使功率器件工作于開關狀態的丁(D)類放大器和戊(E)類放大器。丁類放大器的效率高于丙類放大器,理論上可達100%,但它的最高工作頻率受到開關轉換瞬間所產生的器件功耗(集電極耗散功率或陽極耗散功率)的限制。如果在電路上加以改進,使電子器件在通斷轉換瞬間的功耗盡量減小,則丁類放大器的工作頻率可以提高,即構成所謂的戊類放大器。這兩類放大器是晶體管射頻功率放大器的新發展。還有另外幾類高效率放大器,即F類、G類和H類。在它們的集電極電路設置了包括負載在內的無源網絡,能夠產生一定形狀的電壓波形,使晶體管在導通和截止的轉換期間的電壓uCE和iC均具有較小的數值,從而減小過渡狀態的集電極損耗。同時,還應設法降低晶體管導通期間的集電極損耗,以實現高效率的功率放大。

射頻功率放大器按工作狀態分類,可分為線性放大和非線性放大兩種。線性放大器的效率最高也只能夠達到50%,而非線性放大器則具有較高的效率。射頻功率放大器通常工作于非線性狀態,屬于非線性電路,因此不能用線性等效電路來分析。通常采用的分析方法是圖解法和解析近似分析法。

阻抗匹配網絡是射頻功率放大器電路的重要組成部分,有集總參數的匹配網絡和傳輸線變壓器匹配網絡兩種形式。為得到合適的輸出功率,功率放大器通常利用功率合成器和功率分配器對功率進行合成與分配。

在射頻功率放大器中,采用的線性化技術有前饋線性化技術、反饋技術、包絡消除及恢復技術、預失真線性化技術,以及采用非線性元件的線性放大(LINC)等結構形式。

射頻功率放大器包含輸出功率、效率、線性、雜散輸出與噪聲等主要技術指標。輸出功率與效率是設計射頻功率放大器的關鍵。而針對功率晶體管,主要應考慮擊穿電壓、最大集電極電流和最大管耗等參數。為了實現有效的能量傳輸,天線和放大器之間需要采用阻抗匹配網絡。

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