高頻功率放大器的中和問題

1.前言

以真空電子管為核心放大器件的大功率高頻功率放大器，理論上電子管柵極電壓對陰極的控制作用，完全是通過柵極電壓所產(chǎn)生的電場對陰極發(fā)射出的電子加速作用而實現(xiàn)的，但實際上由于電子管極間電容的存在，尤其是板極和柵極之間的極間電容，使電子管的柵極回路和板極回路互相耦合，引起高頻功放電路直通和反作用的不良影響，從而引起高頻功放工作不穩(wěn)定。板柵極間電容對高頻功放電路的影響程度與放大器使用頻率有關(guān)。在長波發(fā)射機中，由于頻率低，板柵極間電容的影響可以忽略不計;對中波機來說就要考慮其影響，對于短波機特別是超短波發(fā)射機來說，不但要考慮極間電容的影響，還要考慮引線電感的影響，這主要是隨著工作頻率的升高，極間電容容抗會隨之變小，而引線電感的感抗會隨之產(chǎn)生且逐漸變大。所以，在實際工作中，必須采取有效的措施，采用中和電路的方式，消除電子管極間電容及線路引線等效電感對高頻功放的危害，使高頻功率放大器安全、穩(wěn)定的運行。

2.極間電容所產(chǎn)生的不良影響

2.1 直通作用

如圖1-1(a)所示為電子管共陰電路，電路中除有用的激勵電壓Ug和板極諧振回路外，還有元件結(jié)構(gòu)性引起的極間電容，板極和柵極之間的板柵極間電容Cag,板極和陰極之間的板陰極間電容Cak,柵極和陰極之間的柵陰極間電容Cgk等寄生參量。

Cak、Cgk可分別合并為輸入和輸出回路，而Cag跨接在兩個回路之間，這樣激勵信號產(chǎn)生的高頻電流的一部分通過Cag直接送到了板極回路，在諧振回路兩端產(chǎn)生壓降，等效電路如圖1-1(b)所示，其工作頻率越高，則影響越大，這個現(xiàn)象就叫直通。

直通作用所造成的不良影響是，當電子管的板極電流截止時，由于直通的存使激勵信號產(chǎn)生的高頻電流的一部分會通過Cag直接送到了板極回路，使板極回路的電流不能完全的截止，當有調(diào)幅時，得不到100%的調(diào)幅，造成調(diào)幅信號的失真，同時也增加了激勵信號的功率消耗。

2.2 反作用

在探討電子管極間電容對高頻功放電路的反作用之前，首先對電子管高頻功率放大器典型的、被廣泛使用的電路形式進行一下說明，電子管高頻功率放大器以電子管的陰極作為高頻公共點，信號被送到柵極和陰極之間，從板極和陰極之間輸出，以諧振回路作為負載，工作在丙類(效率高)狀態(tài)，具有較高功率增益，板極諧振回路形式多用并聯(lián)諧振回路。高頻功率放大器要實現(xiàn)最大功率值輸出，就是主要完成板極回路電容、電感的調(diào)諧，滿足其并聯(lián)諧振的條件。在回路諧振時，電路中的電壓、電流參量有如下特征：柵壓和板壓反相1800;板流直流分量和柵流直流分流量變化相反，板流直流分量最小與柵流直流分流量最大值應同時出現(xiàn)。

下面我們就探討電子管極間電容對高頻功放電路的反作用，反作用就是板極電流的一部分通過Cag反饋到本級柵極回路，引起輸入回路阻抗變化而失諧的影響。

如圖1 - 1 ( a ) 所示， 反作用電流為：

反作用電流對激勵電壓的影響可用導納來表示，即：

由于在諧振時，柵極回路電壓與板極回路的相角差為零，故有：

這說明反作用是輸入導納變成容性，輸入電容的數(shù)值為：

它使放大器的輸入阻抗變化，且因起前級板極回路失諧，工作不穩(wěn)定。對于本級板流來說，因柵極失諧，使諧振時板流的最小值和柵流的最大值不同時出現(xiàn)。這就是電子管極間電容對高頻功放電路的反作用。

除了電子管極間電容，板極和柵極之間還會存在其他的雜散耦合，還有板極、柵極元件布局，各槽路間高電位和低電位之間，也都會產(chǎn)生類似極間電容那樣的寄生耦合。

3.消除極間電容不良影響的方法

電子管的極間電容，放大器各級和板、柵極之間產(chǎn)生寄生耦合，都會因直通和反作用影響高頻功率放大器的穩(wěn)定工作。而消除此不良影響的方法有以下幾種：

●采取中和電路。就是在原電路中加入另外一個電路，其作用與Cag作用相反，以抵消其對電路所產(chǎn)生的影響。

●選用隔離效果更好的四、五極是電子管。雖然Cag不大，但還是可能產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，所以也必須加中和電路。

●采用倍頻法。由于倍頻器的柵極和板極回路的諧振頻率相差很遠，因此，直通和反作用將大為減弱。但此法應用有限，一般僅在激勵器中使用。

●采用柵極接地電路，即柵地電路。[!--empirenews.page--]

在這種電路中，板柵極間電容不再是板極電路和柵極電路的主要耦合元件，耦合元件是板極和陰極之間的極間電容。因為柵地電路的這個優(yōu)點，故被廣泛應用。但即使板陰極間電容很小，但在工作頻率很高時，有時還是需要針對板陰極間電容而加中和電路。

4.中和電路的調(diào)整

為了高頻功率放大器設備的安全，消除電子管極間電容及線路引線等效電感的危害，特別是大、中型的高功放發(fā)射機，在調(diào)試時，必須首先調(diào)整好中和電路后，然后才能加板壓，使高頻功率放大器工作。

在實際工作中，由于制造、安裝和電子管參量誤差等原因，實際的極間電容，中和電容，引線電感等數(shù)值，不可能是一個定值。因而中和元件一般都做成可以調(diào)整的，以便按照實際情況進行適當調(diào)整。

一般的方法是，首先從消除直通開始，然后在消除反作用。

下面介紹幾種調(diào)整中和的方法。

4.1 柵流凹落中和法

調(diào)整時利用放大器本身的柵流表作為指示器，不加板壓，開啟燈絲，加適當?shù)募铍妷?。觀察柵流表，調(diào)諧板極回路，若電路中中和不完善，則柵流表的變化如圖3-1.

原理：當板極回路調(diào)諧到柵極激勵電壓頻率時，由直通效應送到板極回路的功率最大，結(jié)果使前級板極回路(本級的柵極回路)的電壓最小，因而使激勵電壓減小。因為柵極電流與柵極激勵電壓成比例的，所以在調(diào)整板極回路時，有柵流凹陷，且在諧振點最小。

調(diào)整方法：調(diào)整中和電容，使柵流慢慢回升，同時必須保持前級回路處于諧振狀態(tài)，如此反復調(diào)整，直到完全消除直通。即在諧振點附近調(diào)整板極回路，柵流不再變動。為什么要反復調(diào)整呢?因為中和電容的引入，其阻抗構(gòu)成前級板極回路的一部分，因此在調(diào)整中和電容的同時，前級板極回路也就發(fā)生了失諧變化，所以在調(diào)整中和電容消除直通作用的同時，必須得同時調(diào)整前級板極回路的其它調(diào)諧元件，使前級始終處于諧振狀態(tài)，即調(diào)整前級板級回路，使柵流始終處于最大點。

4.2 觀測板極槽路電壓法

原理：理論上講在功率放大器電路中直通被抵消后，不加板壓的中和級功率放大器，板極槽路中應該沒有高頻電壓存在。所以實際中可以用多種方法對這個高頻電壓進行監(jiān)測，調(diào)整中和電容，使高頻電壓監(jiān)測指示最小，此時中和電容器值就是中和點，這樣就認為中和被調(diào)好了。

方法：在功率放大器板極槽路兩端接示波器或高頻電壓表作為監(jiān)測儀器，加激勵電壓，燈絲電壓可加可不加，不加板壓。

先將中和電容減到最小，調(diào)諧板極槽路，使監(jiān)測有明顯的高頻電壓指示，再逐漸增加中和電容，觀測高頻電壓指示，直到高頻電壓指示最小。和上一方法一樣，當中和電容的調(diào)整影響前級板極回路諧振時，必須反復調(diào)整前級板極回路調(diào)諧元件使其始終處于諧振狀態(tài)。

4.3 板柵流反向檢查法

按照上述兩種方法消除了直通現(xiàn)象以后，為更細致的檢查中和是否完善，應進一步檢查是否還存在反作用。

原理：理論上講，在中和良好的高頻功率放大器電路中，電子管板極回路處于諧振狀態(tài)，回路電壓達最大值，而電子管板壓為最小值，柵極電壓達最大值，故板流最小值和柵流最大值應該同時出現(xiàn)如圖3-2.如果存在反作用，柵極的輸入阻抗將隨反作用電流而變化，使前級工作狀態(tài)發(fā)生變化，因此調(diào)諧板極回路時，板流最小值和柵流最大值不同時出現(xiàn)。

方法：功率放大器電路加上正常的板壓、柵壓和激勵電壓，在調(diào)諧點附近轉(zhuǎn)動板極回路電容，同時觀察板流和柵流的情況，板流最小值和柵流最大值不同時出現(xiàn)，則應重新調(diào)整中和電容，直到其兩者同時出現(xiàn)。

5.結(jié)束語

電子管由于其結(jié)構(gòu)性極間電容的存在，在以其為核心放大元件的高頻功率放大器中，必然產(chǎn)生著寄生耦合，引起放大器的不穩(wěn)定工作。引入中和電路，能有效的消除了極間電容造成的不良影響，從而使高頻功率放大器正常穩(wěn)定的工作。