海納F103S型調頻發射機的功率合成分析

吳俊麗

摘 要 根據海納F103S型全固態調頻立體聲廣播發射機上所采用的功率合成器，對威爾金森耦合器原理和并聯使用、3dB定向耦合器進行了定性的分析說明；介紹了功率合成器在實際工作中應注意的事項。

關鍵詞 功率合成器；威爾金森耦合器；3dB定向耦合器

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）190-0016-02

中短波的調幅方式廣播經過了較長時間的發展，采用雙邊帶調幅，技術不斷的得到完善，接收機的結構越來越簡單、便宜，可以方便的用于固定以及便攜式接收，在調頻廣播出現前，占據了聲音廣播的主導地位，但是因為調幅方式的特點以及工作頻段的限制，其質量不能有較大的提高。因此誕生了調頻廣播技術，因為其頻帶窄、能耗低、多功能附加業務、防串擾高音質等特點，得到了快速發展，特別是汽車普及以后，車載收音機成為了調頻廣播的主力接收終端，使調頻廣播的生命力愈加旺盛。全固態調頻廣播發射機技術先進，有體積小，重量輕，耗電少，維護量小，使用壽命長等諸多優點，因此具有很強的生命力和良好的發展前景。因為技術所限，單個晶體管的放大量不足以達到所需輸出功率，所以在全固態的發射機中所采用的都是用多個功率模塊電路并聯使用，從而得到所需的大功率輸出。所謂功率合成，是指利用兩個以上的晶體管高頻功率模塊同時對輸入信號進行功率放大，然后通過合成網絡將各放大器輸出信號功率相加，得到總的輸出功率。

1 四功率合成器

本臺使用的原陜西海納廠2006生產的調頻廣播發射機，型號為F103S，整機構成主要有：RVR激勵器，八塊1.5kW功放模塊，四功率、二功率合成器，整機電源系統，電腦智能控制系統等組成。它有八路功放模塊經功率合成后輸出，發射機八塊功放分兩組，每組有四塊功放合成一路，四路功率合成器是由威爾金森耦合器（Wilkinson coupler ），相移為0度的四個并聯在一起構成。

1.1 威爾金森耦合器原理

威爾金森功分器的λ/4微帶線特性阻抗都是Zo。在需要功率平均分配時，其輸入和輸出口間的分支線特性阻抗相等，各路信號所經過的電長度相同（即線長為λ/4），在輸出端跨接一個隔離電阻R，使其值為2Zo。可以由微波理論證明，當這種耦合器的端口2、3的阻抗匹配時，端口1上無輸入反射，反之對端口2、3也是如此。此時由端口1輸入的功率被平分到端口2和3，且端口2、3之間相互隔離。

1.2 威爾金森耦合器并聯的實際應用

在海納F103S型調頻發射機中，采用的功率合成器其特性阻抗為70.7Ω，印制的微帶線長度為1/4波長（λ/4）。它把等幅、同相位經功放模塊放大后的射頻功率信號四路合成后輸出，如能保證輸入端四路射頻功率信號等幅、同相位，則功率合成的效果最佳，吸收負載裝置無功率消耗。假如輸入端四路射頻功率信號幅度、相位有差異，就會有部分功率被吸收負載裝置吸收消耗。其技術參數為：頻率范圍：87MHz～108MHz；輸入輸出阻抗：50Ω；駐波比：VSWR≤1.15；插入損耗：<0.05dB；輸出端隔離度：>16dB；輸入端功率：≤1.5kW；合成輸出功率：≤6.0kW。

1.3 使用注意事項分析

在發射機工作中，會出現某一個功放模塊故障，停止工作無功率輸出。其他正常的功放模塊經過四路功率合成以后，只會有部分功率輸出到輸出端，剩余的功率都會消耗在吸收負載裝置上。

合成器的輸出功率與吸收負載上消耗的功率之間關系可以根據以下公式計算：

Pout=n×Po（n-x）2/n2

Pb=（n-x）Po-Pout

其中：Pout：合成器輸出功率；Po：功率放大器額定功率；Pb：吸收負載口的消耗功率；n：功率放大器總數量；x：停止工作的功放數量。

對于本臺發射機來說，Po=1.3kW n=4

當x=1時（有一路功放出故障不工作）

則有Pout=2 925W Pb=975W

說明5.2kW的功放合成輸出只有2 925W，平衡電阻上消耗975W。

當x=2時（有兩路功放出故障不工作）

則有Pout=1.3kW Pb=1.3kW

說明5.2kW的功放合成輸出只有1.3kW，平衡電阻上消耗1.3kW。

因此在合成器工作之前，一定要先檢查合成器上連接吸收負載的50Ω電纜連接是否可靠。日常使用時，合成器不需要做任何調整，維護時應該檢查各連接口是否正常，螺釘有無松動，接頭是否發熱。

2 3dB二功率合成器

本發射機功率二合成器采用的是3dB合成器，是利用3dB傳輸線定向耦合器的原理實現功率合成，屬于常見的合成方式。結構形式主要有蛇形線、帶狀線、微帶線以及雙芯電纜等。其結構簡單，但兩輸入端輸入的合成功率之間應有90°的相位差，且只能兩路合成。

2.1 3dB定向耦合器原理

定向耦合器具有方向性，能將一路功率信號按比例分出一部分功率或分成幾路，達到功率的隔離、分離和混合目的，因其結構簡單，性能穩定，體積小巧等特點，成為高頻設備中應用廣泛的通用部件。

3dB定向耦合器（如圖1）是一種強定向的耦合器，它具有方向性，由兩對長度為λ/4的平行傳輸線構成，利用傳輸線的定向耦合作用，將輸入功率一半的能量分配給對稱的另一根傳輸線，信號從端口1端輸入（輸入端），則有一半能量分配到對稱的另一根傳輸線的端口3（耦合端），剩下的另一半能量直接送到端口2（直通端），如果端口2和端口3阻抗均與耦合器匹配，則沒有能量送到端口4（隔離端）。

由以上可知，利用3dB定向耦合器既能用作功率分配使用，又能用作功率合成使用。當作為功率合成器使用時，需要用兩路信號源同時分別加于3dB定向耦合器對角線的兩端（可用1和4端口或用2和3端口），并且要求兩個信號源的相位相差90度，如圖2所示。

由上可知，當電壓幅度相等（U1=U2），相位相差是90度的兩個信號源，被同時分別相加在端口1上和端口4上時，信號電壓通過直通和耦合在端口2疊加，輸出電壓為√2Ue-j90°；在端口3幅度相等，相位相差180°，相互抵消為零；而端口1和端口4互為隔離端，兩信號源互不產生影響。于是兩個信號源共同作用的結果，將兩路信號合成后由端口2輸出。從功率的角度看，如端口1和端口4的輸入功率皆為：

Pin=U2/2R

則合成后端口2的輸出功率將為：

Pout=（√2U）2/2R=2Pin

對于作為功率合成器使用的3dB定向耦合器來說，得到的輸出功率是經輸出端（端口2）合成的兩個輸入功率的和，既二路功率合成。當兩信號源輸入電壓振幅相等、相位相差90°，且分別加于3dB定向耦合器的互為隔離端，其合成后輸出的功率將為信號源輸入之和。但是。在U1≠U2的情況下，由以上原理可知，端口3將有一定輸出而被負載消耗掉，而端口2仍可得到二者主要功率的合成輸出。

2.2 使用與維護事項

與四功率合成器一樣，功率合成器不需要做任何調整，在日常使用時，一定要經常檢查合成器上連接吸收負載的50Ω電纜連接是否可靠，各連接口是否正常，螺釘有無松動，接頭是否發熱等。

參考文獻

[1]張普.海納F103S型10kW調頻發射機原理維護淺析[J].電子世界，2014（20）：71.

[2]劉建榮.淺談F103S型發射機的設計缺陷及改進方案[J].視聽，2009（9）：29.