高频功率放大器的中和问题

1.前言

以真空电子管为核心放大器件的大功率高频功率放大器，理论上电子管栅极电压对阴极的控制作用，完全是通过栅极电压所产生的电场对阴极发射出的电子加速作用而实现的，但实际上由于电子管极间电容的存在，尤其是板极和栅极之间的极间电容，使电子管的栅极回路和板极回路互相耦合，引起高频功放电路直通和反作用的不良影响，从而引起高频功放工作不稳定。板栅极间电容对高频功放电路的影响程度与放大器使用频率有关。在长波发射机中，由于频率低，板栅极间电容的影响可以忽略不计;对中波机来说就要考虑其影响，对于短波机特别是超短波发射机来说，不但要考虑极间电容的影响，还要考虑引线电感的影响，这主要是随着工作频率的升高，极间电容容抗会随之变小，而引线电感的感抗会随之产生且逐渐变大。所以，在实际工作中，必须采取有效的措施，采用中和电路的方式，消除电子管极间电容及线路引线等效电感对高频功放的危害，使高频功率放大器安全、稳定的运行。

2.极间电容所产生的不良影响

2.1 直通作用

如图1-1(a)所示为电子管共阴电路，电路中除有用的激励电压Ug和板极谐振回路外，还有元件结构性引起的极间电容，板极和栅极之间的板栅极间电容Cag,板极和阴极之间的板阴极间电容Cak,栅极和阴极之间的栅阴极间电容Cgk等寄生参量。

Cak、Cgk可分别合并为输入和输出回路，而Cag跨接在两个回路之间，这样激励信号产生的高频电流的一部分通过Cag直接送到了板极回路，在谐振回路两端产生压降，等效电路如图1-1(b)所示，其工作频率越高，则影响越大，这个现象就叫直通。

直通作用所造成的不良影响是，当电子管的板极电流截止时，由于直通的存使激励信号产生的高频电流的一部分会通过Cag直接送到了板极回路，使板极回路的电流不能完全的截止，当有调幅时，得不到100%的调幅，造成调幅信号的失真，同时也增加了激励信号的功率消耗。

2.2 反作用

在探讨电子管极间电容对高频功放电路的反作用之前，首先对电子管高频功率放大器典型的、被广泛使用的电路形式进行一下说明，电子管高频功率放大器以电子管的阴极作为高频公共点，信号被送到栅极和阴极之间，从板极和阴极之间输出，以谐振回路作为负载，工作在丙类(效率高)状态，具有较高功率增益，板极谐振回路形式多用并联谐振回路。高频功率放大器要实现最大功率值输出，就是主要完成板极回路电容、电感的调谐，满足其并联谐振的条件。在回路谐振时，电路中的电压、电流参量有如下特征：栅压和板压反相1800;板流直流分量和栅流直流分流量变化相反，板流直流分量最小与栅流直流分流量最大值应同时出现。

下面我们就探讨电子管极间电容对高频功放电路的反作用，反作用就是板极电流的一部分通过Cag反馈到本级栅极回路，引起输入回路阻抗变化而失谐的影响。

如图1 - 1 ( a ) 所示， 反作用电流为：

反作用电流对激励电压的影响可用导纳来表示，即：

由于在谐振时，栅极回路电压与板极回路的相角差为零，故有：

这说明反作用是输入导纳变成容性，输入电容的数值为：

它使放大器的输入阻抗变化，且因起前级板极回路失谐，工作不稳定。对于本级板流来说，因栅极失谐，使谐振时板流的最小值和栅流的最大值不同时出现。这就是电子管极间电容对高频功放电路的反作用。

除了电子管极间电容，板极和栅极之间还会存在其他的杂散耦合，还有板极、栅极元件布局，各槽路间高电位和低电位之间，也都会产生类似极间电容那样的寄生耦合。

3.消除极间电容不良影响的方法

电子管的极间电容，放大器各级和板、栅极之间产生寄生耦合，都会因直通和反作用影响高频功率放大器的稳定工作。而消除此不良影响的方法有以下几种：

●采取中和电路。就是在原电路中加入另外一个电路，其作用与Cag作用相反，以抵消其对电路所产生的影响。

●选用隔离效果更好的四、五极是电子管。虽然Cag不大，但还是可能产生不稳定现象，所以也必须加中和电路。

●采用倍频法。由于倍频器的栅极和板极回路的谐振频率相差很远，因此，直通和反作用将大为减弱。但此法应用有限，一般仅在激励器中使用。

●采用栅极接地电路，即栅地电路。

在这种电路中，板栅极间电容不再是板极电路和栅极电路的主要耦合元件，耦合元件是板极和阴极之间的极间电容。因为栅地电路的这个优点，故被广泛应用。但即使板阴极间电容很小，但在工作频率很高时，有时还是需要针对板阴极间电容而加中和电路。

4.中和电路的调整

为了高频功率放大器设备的安全，消除电子管极间电容及线路引线等效电感的危害，特别是大、中型的高功放发射机，在调试时，必须首先调整好中和电路后，然后才能加板压，使高频功率放大器工作。

在实际工作中，由于制造、安装和电子管参量误差等原因，实际的极间电容，中和电容，引线电感等数值，不可能是一个定值。因而中和元件一般都做成可以调整的，以便按照实际情况进行适当调整。

一般的方法是，首先从消除直通开始，然后在消除反作用。

下面介绍几种调整中和的方法。

4.1 栅流凹落中和法

调整时利用放大器本身的栅流表作为指示器，不加板压，开启灯丝，加适当的激励电压。观察栅流表，调谐板极回路，若电路中中和不完善，则栅流表的变化如图3-1.

原理：当板极回路调谐到栅极激励电压频率时，由直通效应送到板极回路的功率最大，结果使前级板极回路(本级的栅极回路)的电压最小，因而使激励电压减小。因为栅极电流与栅极激励电压成比例的，所以在调整板极回路时，有栅流凹陷，且在谐振点最小。

调整方法：调整中和电容，使栅流慢慢回升，同时必须保持前级回路处于谐振状态，如此反复调整，直到完全消除直通。即在谐振点附近调整板极回路，栅流不再变动。为什么要反复调整呢?因为中和电容的引入，其阻抗构成前级板极回路的一部分，因此在调整中和电容的同时，前级板极回路也就发生了失谐变化，所以在调整中和电容消除直通作用的同时，必须得同时调整前级板极回路的其它调谐元件，使前级始终处于谐振状态，即调整前级板级回路，使栅流始终处于最大点。

4.2 观测板极槽路电压法

原理：理论上讲在功率放大器电路中直通被抵消后，不加板压的中和级功率放大器，板极槽路中应该没有高频电压存在。所以实际中可以用多种方法对这个高频电压进行监测，调整中和电容，使高频电压监测指示最小，此时中和电容器值就是中和点，这样就认为中和被调好了。

方法：在功率放大器板极槽路两端接示波器或高频电压表作为监测仪器，加激励电压，灯丝电压可加可不加，不加板压。

先将中和电容减到最小，调谐板极槽路，使监测有明显的高频电压指示，再逐渐增加中和电容，观测高频电压指示，直到高频电压指示最小。和上一方法一样，当中和电容的调整影响前级板极回路谐振时，必须反复调整前级板极回路调谐元件使其始终处于谐振状态。

4.3 板栅流反向检查法

按照上述两种方法消除了直通现象以后，为更细致的检查中和是否完善，应进一步检查是否还存在反作用。

原理：理论上讲，在中和良好的高频功率放大器电路中，电子管板极回路处于谐振状态，回路电压达最大值，而电子管板压为最小值，栅极电压达最大值，故板流最小值和栅流最大值应该同时出现如图3-2.如果存在反作用，栅极的输入阻抗将随反作用电流而变化，使前级工作状态发生变化，因此调谐板极回路时，板流最小值和栅流最大值不同时出现。

方法：功率放大器电路加上正常的板压、栅压和激励电压，在调谐点附近转动板极回路电容，同时观察板流和栅流的情况，板流最小值和栅流最大值不同时出现，则应重新调整中和电容，直到其两者同时出现。

5.结束语

电子管由于其结构性极间电容的存在，在以其为核心放大元件的高频功率放大器中，必然产生着寄生耦合，引起放大器的不稳定工作。引入中和电路，能有效的消除了极间电容造成的不良影响，从而使高频功率放大器正常稳定的工作。