匹配网络的实质性分析.docx

4.4.2匹配网络 为了使功率放大器具有最大的输出功率，除了正确设计三极管的工作状态，还必须有良好的输入、输出网络输入匹配网络的作用是实现信号源输出阻抗与放大器输入阻抗之间 的匹配，使放大器获得最大的激励功率；输出匹配网络的作 用是将外接负载电阻R变换为放大器所需的最佳负载电阻LR ，以保证输出功率最大图4—25给出输入、输出匹配 opt网路在谐振功放中的位置示意图对输入匹配网络与输出匹 配网络的要求略有不同，但基本设计方法相同，本章将重点 讨论输出匹配网络，对输入匹配网络与极间耦合网路只做简要介绍输入匹配网堵*出匹配网培图4—25输入、输出匹配网路在谐振功放中的位置1输出匹配网路在谐振功率放大电路中，输出匹配网络介于功率管和外接负载r之间，如图4—25所示对输出匹配网路的主要要求L包括高效率的传送能量、滤除高次谐波分量和阻抗变换三个方面，在设计匹配网络时应综合考虑这三方面的要求1）高效率地传送能量将功率管输出的有用信号(?)功率高效率地传送到外接负P耳 二一L载上，即要求回路效率k P0接近1其中p为功率管输出o的信号功率， P 为负载上获得的基波功率也可使用插入损L耗(Insert Loss)来描述匹配网络的损耗，其定义为4.4.2)L (dB) = 10lg对于无源匹配网络来说，不可避免地会产生能量损耗， 故插入损耗恒为正，且对于某一匹配网络或器件来说，插入 损耗值越小越好。

2) 滤除高次谐波分量充分滤除不需要的高次谐波分量，以保证外接负载上仅 输出高频基波功率工程上用谐波抑制度来表示这种滤波性 能的好坏假设i和i分别为通过外接负载电流中基波和Lm1 Lmnn次谐波分量的振幅,相应的基波和n次谐波功率分别为p和Lp ，则对 n 次谐波的抑制度定义为LnH = 10lgnpLnPL—201g LmnLm14.4.3)显然，H n越小(?)，滤波匹配网络对n次谐波的抑制能力就 越强通常都采用二次谐波抑制度H表示网络的滤波能力2 在实际匹配网络中，谐波抑制度高，则要求提高谐振回路的Q 值回路的 Q 值取决于回路的损耗，回路损耗的功率由两 部分组成，一部分是传送到负载的功率，另一部分是回路的元件（电感和电容）的固有损耗，即电感的导体损耗和电容 的漏电设计电路时应选用品质因素高的电感和电容以减小 回路固有损耗但受到工艺条件的限制，电感和电容品质因 数的提高是有限的若采用减小传送到负载功率的措施来提 高回路的Q值，将带来的负面影响是：在回路固有损耗一定 的条件下减小传送到负载的功率，意味着回路固有损耗在总 损耗中的比例加大，使网络的传送效率降低，为了保证丙类 功率放大电路负载获取的较大功率，回路的 Q 值很难做到像 小信号LC选频放大器那样高，多数情况只能在10以下 结论： 谐波波抑制度与传输效率的要求往往是矛盾的。

提 高抑制度，就会牺牲传输效率，反之亦然3）阻抗变换 丙类谐振放大器中的阻抗变换，在有些资料中称作阻抗匹 配需要指出的是，丙类谐振功率放大器中的阻抗匹配和 线性网络中的阻抗匹配有着原则性的区别 性网络 中，当负载阻抗和信号源的输出阻抗“共轭匹配”时，从 信号源输送到负载的功率最大丙类谐振功放的匹配是将外接负载 R 变换为放大器所需L的最佳阻抗R ，保证放大器传输到负载的功率最大opt丙类功率放大器的阻抗匹配不是共轭匹配，而是要满足负 载电抗和信号源输出电抗大小相等，符号相反，但负载电阻不是等于输出电阻，原因在于丙类谐振放大器是一个非 线性电路，放大器的内阻变动剧烈：导通时内阻很小；截 止时内阻趋于无穷大，因此输出电阻不是常数， 匹配网络主要有两种类型：具有并联谐振回路形式的匹 配网络和具有滤波器形式的匹配网络前者多用于前级、中 间级放大器，后者多用于大功率输出级1)并联谐振回路型匹配网络 并联谐振回路型匹配网络 可分为简单并联谐振回路和 耦合谐振回路两种简单并联谐振回路是将负载通过并联回 路接入集电极回路为了实现匹配，常采用部分接入法，其 一般形式如图4—26所示可见，只要谐振回路的Q值足够 大，它就具有很好的滤波作用；调整抽头位置或初、次级匝 数比，即可完成阻抗变换。

［例题］谐振功放电路如图4—27 (a)所示要求其工作状态如 图 4—27 ⑹所示已知 Rl=100 Q,f0=3 0MHz, B=1.5MHz, C=100pF,EC=12V, N］+N2=60 匝求：比,叫,比BRL图4—26简单谐振回路型输出匹配电路竝.图4—27例题图解：由动态特性可知，谐振功放工作在临界状态时，输出功 率大，放大器效率也较高临界状态是丙类功放的最佳状 态，变压器通过改变其线圈匝数比值，实现阻抗变换GE[)㈤由动态特性可知=12 - 2 = 10( V)V = E - ucm C CE mini = 0.1AC maxE — E' 1cos 0 = c c 二.0 = 60o2cmV = I .R = i .a (0 )• Rcm clm 工 C max 1 工_ _ VR = R = cmopt 工 i a (0)C max 1查表可知a(0 * 0.4，因此1VR = cm q 250(Q)opt i a (0 )C max 1可见，须将r二100Q变换为r = 250Q，才能保证放大器在临界L opt状态工作与此同时，还应保证谐振回路的谐振频率f和带0宽bw符合要求。

由电路理论知Q = f0 = 30 = 20e BW 15特性阻抗P为沁 50(0)1P = 一① C 2兀 x 30 x 106 x 100 x 10-12 0因此，LC回路两端的谐振阻抗r '为R = Q .p = 20x 50 = 1000(0)Z eN + NR = n2.R = ( Ni N2 )2.R = 1000(0)Z L N L30 + N、 1000 “(1 2 )2 = = 103z N + N 60N = i 2 = q 19 匝3又由于RNR = oPt , p = 2Z p 2 N + N12/N + N、 R 1000 ,( 1 2 )2 = Z= = 4旷 _75D_2 optN = N = 30匝12简单谐振回路型输出匹配电路的优点是电路简单，缺点是 阻抗匹配不易调节，滤波性能不好耦合谐振回型路输出匹配电路典型的互感耦合型复合输出回路图4—28(⑴ ⑹ ⑴这种电路是将作为负载的天线回路通过互感与集电极调谐回路相耦合，介于电子器件与天线回路之间的LC回路叫做1 1中介并联谐振回路R、C分别代表天线的辐射电阻与等效A A电容；l2、c2为天线回路的调谐元件。

它们的作用是使天线 回路处于串联谐振状态，以使天线回路的电流I达到最大值,A亦即使天线辐射功率达到最大无论采用哪种形式的匹配网络，有一点是共同的，那就是从集电极向右方看去，它们都应当等效于一个并联谐振回 路，图4—28(b)给出复合式输出回路的等效电路r代表L1 1线圈的损耗电阻，与负载品质因数Q有关，即0①L+ r1由互感耦合电路的理论可知，作为次级回路的天线回路调 谐到串联谐振状态时，其回路谐振阻抗Z二R，它反映到LCL A 11中介回路的等效电阻为”~~RA-q中介回路的等效谐振阻抗为Rr — Q oL = l- P L 1 oC1Q - o Li有载品质因素l r + r，1RP—Ctr+r11Li(丄 o 2M2、 C (r + )i i RA设初级回路的接入系数为p ,则晶体管输出回路的等效负载为R — p2Rf - p2 L_P P (丄o 2M2)C (r + )i i RA结论改变互感系数M和接入系数p，就可以在不影响回路调谐的情况下调整晶体管的输出回路的等效负载电阻Rp,以达到阻抗匹配的目的在复合输出回路中，由于负载（天线）断路对器件不会造成严重损坏，而且它的滤波特 性也比简单谐振回路优越的多，因而得到广泛的应用。

为了使器件的输出功率绝大部分送到负载R上，希望反A映电阻r，远远大于回路损耗电阻r通常用中介回路的传输效1率耳来衡量回路传输能力的优劣（前面介绍过的匹配网络的k传输效率） 回路送到负载的功率p = 12 r _ r' (4.4.8)"k电子元件送到回路的总功率P 12 (r + r') r + r'o K 1 1空载回路的谐振阻抗 R，_ 土po C r11有载回路的谐振阻抗 R，_ Lip C (r + r')1 1 1空载回路的Q Q *0 o r1有载回路的QLe LQ _ 片L r + r11将以上各式代入式(4.4.8)，可得fr-4r耳 _k (r + r‘) (r + r‘) R Q1 1 Po 0结论：要提高回路传输效率，则空载品质因数Q越大越好，0有载品质因数Q越小越好LQ 越大越好，意味着中介回路本0身的损耗越小越好通常q值约为100〜200 ；有载品质因数Q0 L越小越好，意味着在中介回路本身损耗一定时，负载的损耗 越大越好但从抑制高次谐波分量的滤波特性来看，则要求Q应足够大兼顾矛盾双方，尽量使Q值不小于10LL(2)滤波器型匹配网络图4—29 给出几种常用的 LC 匹配网络。

它们是由两种不同性质的电抗元件构成的L型、T 型和兀的双端口网络由于LC元件损耗功率很小，可以高 效的传输功率；同时，由于它们对频率的选择作用，决定了 这种电路的窄带性质各种匹配网络的阻抗变换特性都是以串、并联阻抗转换 为基础的，本书第二章的 2.4.1 小结介绍了串并联阻抗等效 转换的相关内容图2-17 给出阻抗串并转换等效电路，串并 转换关系式( 2.2.36)表明，串、并结构互换前后，电路的 品质因数保持不变；变换前后的电抗性质保持不变，对于高 Q 电路，变换前后电抗的值近似相等；并联电路中的电阻 R 是P串联电路中R的(1+ Q2)倍这些基本概念对于确定LC匹配网S络的结构非常重要R2(a) L 型;(b) T 型;(c) “ 型图 4—29 几种常用的 LC 匹配网络。