2.5 宽带高频功率放大器
2.5.1 传输线变压器
1．传输线变压器的工作原理
传输线变压器是将传输线绕在高磁导率（μ）、低损耗的磁环上构成的。传输线可采用扭绞线、平行线、同轴线等，而磁环一般由镍锌高频铁氧体制成，其直径小的只有几毫米，大的有几十毫米，视功率大小而定。传输线变压器与普通变压器相比，其主要特点是工作频带极宽，它的上限频率可达上千兆赫兹，频率覆盖系数可达10 000。而普通变压器的上限频率只有几十兆赫兹，频率覆盖系数只有几百或几千。传输线变压器的工作方式是传输线原理和变压器原理相结合，即其能量根据激励信号频率的不同以传输线或以变压器方式传输。
图2.24（a）所示为1∶1传输线变压器的结构示意图，它是由两根等长的导线紧靠在一起并绕在磁环上构成的。用虚线表示的导线1端接信号、2端接地，用实线表示的另一根导线3端接地、4端接负载。图2.24（b）所示为以传输线方式工作的电路形式，图2.24（c）所示为以普通变压器方式工作的电路形式。根据传输线理论，为了扩展它的上限频率，首先应使终端尽可能匹配；其次，应尽可能缩短传输线的长度，工程上要求传输线长度小于最小工作波长的1/8。这时，可近似认为传输线输出与输入端的电压和电流大小相等、相位相同。
由图2.24（b）、（c）可知，由于2、3端同时接地，则负载RL上获得了与输入电压幅值相等、相位相反的电压，且Zi = RL，所以，这种接法的传输线变压器相当于一个1∶1阻抗反相变压器。在高频范围内，由于激磁感抗很大、激磁电流可以忽略不计，传输线方式起主要作用，上限频率不再受漏感和分布电容的限制，也不受磁芯应用频率上限的限制；在频率较低的中间频段上，变压器近似为理想变压器，同时又由于传输线的长度很短，输入信号将直接加到负载上，能量的传输不会受到变压器的影响；在频率很低时，变压器传输方式起主要作用，由于采用了μ值很高的磁芯，传输线变压器仍具有较好的低频特性。所以，不难看出传输线变压器具有良好的宽频带传输特性。
图2.24 1∶1传输线变压器结构和工作原理
2．传输线变压器的应用
（1）平衡和不平衡电路的转换。传输线变压器可实现平衡和不平衡电路的转换，如图2.25所示。图2.25（a）所示信号源为不平衡输入，通过传输线变压器Tr可以得到两个大小相等、对地完全反相的电压输出。如图2.25（b）所示，两个信号源构成平衡输入，通过传输线变压器Tr可以得到一个对地不平衡的电压输出。
图2.25 平衡和不平衡电路的转换
（2）4∶1和1∶4阻抗变换器。传输线变压器可以构成阻抗变换器，最常用的是4∶1和1∶4阻抗变换器。将传输线变压器按图2.26（a）接线，就可以实现4∶1的阻抗变换，图2.26 （b）是它的电路图。若设负载RL上的电压为
，由图可见，传输线终端2-4和始端1-3的电压也均为
，则1端对地输入电压等于2
。如果信号源提供的电流为
，则流过传输线变压器上、下两个线圈的电流也为
，由图2.26（b）可知，通过负载RL的电流为2 
，因此可得：
而信号源端呈现的输入阻抗为：
可见，输入阻抗是负载阻抗的4倍，从而实现了4∶1的阻抗变换。为了实现阻抗匹配，要求传输线的特性阻抗为：
图2.26 4∶1传输线变压器
如将传输线变压器按图2.27接线，则可实现1∶4阻抗的变换。由图可知：
信号源端呈现的输入阻抗为：
可见，输入阻抗Ri为负载电阻RL的1/4，实现了1∶4的阻抗变换。为了实现阻抗匹配，要求传输线的特性阻抗为：
图2.27 1∶4传输线变压器
2.5.2 功率合成与分配电路
用多个三极管并联也可以实现功率合成，但一管损坏必将使其他管子状态发生变化，如果用传输线变压器构成混合网络来实现功率合成就不会有这个缺点，还可以实现宽频带工作。采用魔T网络作为功率合成电路中的级间耦合和输出匹配网络的技术称为宽带高频功率合成技术。
由1∶4或4∶1传输线变压器接成的混合网络称为魔T网络。理想的魔T网络有四个端口：A、B、C、D，如图2.28所示。若Tr的特性阻抗为R，则有RA = RB = R、RC = R/2、RD =2R。其中，C端称为“和”端，D端称为平衡端或“差”端。
图2.28 魔T网络电路结构
1．功率合成网络
图2.29是用魔T混合网络实现功率合成的原理电路。图中，Tr1为魔T混合网络，Tr2为1∶1平衡-不平衡变换器。
图2.29 用魔T混合网络实现功率合成的原理电路
（1）反相功率合成：功率放大器A和B提供等值反相电流，在D端合成功率，C端无输出。
（2）同相功率合成：若功率放大器A和B提供等值同相电流，在C端合成功率，D端无输出。
魔T混合网络的隔离条件是 RC = （1/4）RD。
2．功率分配网络
（1）同相功率分配：功率放大器接到C端（如图2.30所示），在A端和B端获得等值同相功率，而D端没有获得功率。
图2.30 同相功率分配网络
（2）反相功率分配：功率放大器接到D端（如图2.31所示），在A端和B端获得等值反相功率，而C端没有获得功率。
图2.31 反相功率分配网络
3．功率合成电路应用举例
将上面讨论的混合网络与适当的放大电路相组合，就可以构成功率合成电路。图2.32所示为反相功率合成器应用电路。
图2.32中Tr3和Tr4为魔T混合网络。Tr3为功率分配网络，将输入信号源（D端）提供的功率反相地均等分配给功率管VT1和VT2，使这两个功率管输出反相等值电流。Tr4为功率合成网络，用来将两个功率管的输出功率相加，而后通过平衡-不平衡变换器Tr5馈送到输出负载上。Tr1为4∶1阻抗变换器，Tr2为平衡-不平衡变换器，RC为假负载电阻，用于吸收不平衡功率。
图2.32 反相功率合成电路
图2.32中晶体管工作在乙类状态，每管基极到地所接特性阻抗为5Ω的电感用来防止寄生振荡以稳定放大器的工作，并在晶体管截止时作为耦合网络的负载。由于功率放大器工作在乙类状态，采用反相功率合成器，可以抵消偶次谐波分量，使输出失真减小。