功率分配器與合成器

陳希鋒

遼寧省廣播電視傳輸發射中心(沈陽 110000)

在全固態發射機中為了獲得更高的輸出功率，可以將多個功率放大器單元并聯起來。為了保證功率放大器單元工作正常，就必須對輸入功率進行分配、輸出功率進行合成，而分配器和合成器在電路形成上是相同的，是一種倒置關系。目前，發射機所采用的功率分配和合成的方式有：(1)90°移相3dB 功率合成器；(2)180°反相3dB 功率合成器；(3)同相二等分功率合成器；(4)多路功率直接合成法。多路功率直接合成通常采用微帶線制做而成，具有制作簡單、應用方便，且不存在無用輸出端(即吸收負載端)，在中、小功率的分配與合成中得到廣泛使用。

以圖1 所示的N 路功率分配器為例，簡單闡述平衡型功率分配(合成)器的工作原理。

圖1 N 路功率分配器

輸入端與N 個阻抗變換節相連，其特性阻抗為Z，可以驅動N 個負載，各輸出端之間接入N 個平衡隔離電阻R，其作用是避免相互干擾。設輸入端的信號源內阻為Rs，負載電阻為RL。那么各路的阻抗變換節的特性阻抗Z 為：

式(1)中，N 為功率分配器的路數。

功率分配器電路結構對稱，N 路輸出功率大小相等，輸出電路均接匹配負載RL，保證各路信號所經過的電長度都是λ/4，各輸出端處于相同的電位，從而保證輸出端和公共結點之間的隔離電阻R 不消耗任何功率。當某種原因使輸出端口之一的信號發生了反射，該反射信號的功率就被功率分配器分配，一部分經過隔離電阻直接傳送至其余輸出端口，另一部分返回至輸入端口，在各支路輸入端匯集并再次分配，重新傳送至各輸出端口。當某一端口的反射信號經兩種路徑到達其余輸出端口，由于兩種路徑的電長度不同，我們可以把隔離電阻尺寸做得很小，此時，就認為它的電長度近似為零，這樣在中心頻率處支線阻抗變換節的電長度為π/2(λ/4)，往返二次后的電長度為π(λ/4)。由此可見通過兩種路徑到達其余各輸出端口的反射信號，其相位正好相反，從而相互抵消。所以，功率分配器支持工作的條件是：隔離電阻R 等于負載電阻RL，并且變換節特性阻抗滿足公式(1)。

圖2 N 路功率合成器

N 路功率合成器電路如圖2 所示。當N 路功率放大器輸出的信號(同頻同相通幅度)通過功率合成器時，隔離電阻R 上沒有電流，每個功率放大器的輸出功率P0通過λ/4 的阻抗變換節饋送到負載RL，負載RL上得到的功率PL=NPO。

我臺全固態FM 發射機1.2 kW 功率放大器就是采用微帶功率分配器和合成器，利用兩個同相等功率二分配(合成)級聯來實現的，如圖3 所示利用兩個同相等功率二分配級聯來實現四分配。整個分配或合成電路印制在一塊雙面覆銅的聚四氟乙烯玻璃布板上，這種材料的印制板介電常數比較穩定，介質損耗小，溫度特性好。

圖3 四分配器

已知輸入阻抗RS=50?，負載阻抗RL=50Ω，根據式(1)可計算出各支線阻抗變換節的特性阻抗：

兩支線間的平衡隔離電阻為：R=2RS=2RL=100Ω。

各支線的阻抗變換節為聚四氟乙烯玻璃布板上印制的微帶線，其電長度為中心頻率98 MHz 時的波長，而這個電長度可以由下列公式計算出：

式中，λ0是空氣中微帶線的波導波長(0λ＝C/f0，C 為光速)，εe為介質的有效介電常數。

這種形式的功率分配器與合成器，輸入(輸出)端的隔離度一般都大于20dB，而且駐波比可做到1.1 以內。采用多級級聯的形式可以使分配(合成)的路數成倍增加，但多級級聯的分配器和合成器的可用帶寬要比單級使用時的帶寬窄很多，且外形尺寸也變大，所以在多路功率合成時，往往采用直接合成法。

在功率合成的過程中，假設每路功率放大器的輸出正常，功率合成器中的平衡隔離電阻中就沒有電流通過，換句話說就是不消耗功率。當某一路或幾路功率放大器出現故障沒有輸出時，就破壞了電路平衡，平衡隔離電阻就會消耗功率，功率合成器只能輸出部分功率，其余功率被平衡隔離電阻吸收以發熱形式消耗了。

假設有m 路功率放大器進行合成，當有n 路放大器停止工作時，合成器的輸出功率P出、平衡隔離電阻上消耗的功率P耗以及他們之間的關系由以下公式確定：P出＝m PO((m-n)/m)2

P耗＝(m-n)PO-P出

式中：

P出：合成器的輸出功率

PO：單路功率放大器的額定功率

P耗：平衡隔離電阻上消耗的功率。

以1.2 kW 的功率放大器為例說明功率合成器的輸出功率和平衡隔離電阻消耗功率計算過程：

PO=300 W m=4 n=1(有一路功放出故障)則：

P出=4×300×[(4-1)/4]2=675 W

P耗=(4-1)×300-675=225 W

說明1.2 kW 的功率放大器輸出只有675 W，平衡電阻上消耗了225 W。