井下信號功率放大方法的研究

楊 飛

（油氣鉆井技術國家重點工程實驗室西安石油大學井下測控研究室，陜西西安 710065）

智能油化工程

井下信號功率放大方法的研究

楊 飛

（油氣鉆井技術國家重點工程實驗室西安石油大學井下測控研究室，陜西西安 710065）

井下信號傳輸過程中需要將信號進行放大，鉆井深度不斷增加，地層溫度、壓力不斷升高，單一集成電路的設計方案成本較高，當環境溫度過高、需要信號功率過大時，單一集成電路的設計方案無法滿足要求。本文通過對寬頻帶傳輸線的理論進行研究，采用雙路功率信號進行合成，利用傳輸線變壓器作為寬頻帶電路中的功率合成器。通過對比測試，在同一環境溫度和輸出功率相同的條件下，通過合成的方法能夠輸出更高的功率，輸出效率比單路更高，經過實驗測量計算，合成效率最好能夠達到80%。因此，通過傳輸線變壓器功率合成器的研究，為今后深度鉆井中信號功率放大提出了一種有效的解決方案。

信號；功率放大；鉆井；功率合成

在隨鉆測量、地質導向鉆井和隨鉆測量過程中，對井下信號的提取及控制指令的發送一直是制約鉆井深度的一個重要問題[1]。在井下作業時，需要將地面控制信號通過各種方式傳輸到井下，井下的傳感器測量信號也需要反饋到地面，在信號傳輸過程中，都需要先將信號進行放大，先將電信號轉化為機械信號，而在井下高溫環境下，設計合適頻段的功率放大器一直是個難點[2，3]。井下功率放大器要求高溫穩定性，而且井下會有各種控制和測量信號的干擾[4，5]。目前，井下所使用的功率放大器，主要采取對不同頻率的信號設計相對應頻帶的功率放大器，這種方案的設計成本高，研發周期長。

對寬頻帶功率放大器進行研究，無論是功率管還是集成運算放大器，都存在頻帶越寬其輸出功率越小，而且高溫穩定性越差。所以，采用頻帶范圍寬、高溫性能好的小功率管或者集成運算放大器，進行功率合成為一種重要的解決方案。

因此，為了實現在井下電路中的信號阻抗匹配及功率合成，常采用傳輸線變壓器。

1 寬頻帶信號及傳輸線理論分析

信號的傳輸情況同信號的頻率特性密不可分，對于高頻信號，其電流、電壓等參數在線路中會隨著位置的不同有規律的變化，通過對這種變化的分析，等到傳輸線中信號傳輸的規律，以便對其加以利用，使其對信號傳輸變成有利的因素[7]。

在高頻傳輸線上取lab段分析：

其中：z－信號傳輸方向；I－傳輸線上電流；U－傳輸線上電壓；E－電場；H－磁場；ω－信號角頻率；μ－磁導率（μ=μ0μr）；ε－電導率（ε=ε0εr）。

因此，高頻信號在線路傳輸時是以電磁波的形式傳輸。根據上式推導，構建等效模型（見圖1）。

圖1 傳輸線分布參數圖

對于理想狀況下的無損耗傳輸線其輸入功率Pin等于負載得到的功率Pl也等于通過傳輸線上任意一點的功率 P（z）。即：

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其中：θ-電壓與電流的相位差，即在傳輸線上隨位置z的變化，電壓電流的相位會出現規律性變化；Pl-負載功率；I1-輸入負載的電流；Rl-負載阻抗；Pin-輸入功率；I2-輸入傳輸線的電流；Rin-輸入阻抗；P（z）-傳輸線上z點處的功率；U（z）、I（z）-傳輸線z點處的電壓和電流。

從電壓波與電流波的角度分析，當電壓在波腹位置時，電流就會在波節點位置，因此：

則傳輸線的特性阻抗Z0為：

駐波系數ρ為：

由此可以得到：

其中：K-行波系數。

因此，傳輸線的最大通過電流不變或者最大承受的電壓不變時，行波系數K值越大，那么能夠傳輸的功率就越大。

另一方面由于傳輸線的寄生效應，存在分布電感電容，所以會存在一個擊穿電壓的問題，由于擊穿電壓的限制，傳輸線會存在一個最大負荷功率，也叫做功率容量[8，9]。如果設 Ubreak為擊穿電壓，則 Pbreak為功率容量。公式表示為：

由式（11）可知功率容量與兩個變量有關：一是擊穿電壓Ubreak，這與傳輸線材質、結構有關；二是駐波系數ρ，即當阻抗匹配到最佳時，即ρ趨近于1時，功率容量最大。

2 功率合成原理分析

傳輸線變壓器傳遞能量的方式與傳統變壓器有著很大區別，傳輸線變壓器信號從1和3端口輸入，能量是通過兩個導線間的寄生電容和電感，通過電磁耦合鏈傳輸能量到負載端。

功率合成網絡原理圖（見圖2），其中A、B兩端接兩個功率放大器，則C、D端就能獲得所合成的功率。其中T1為T型功率合成器，T2為阻抗匹配，實現不平衡阻抗轉換，由于傳輸線變壓器的特性，T1兩個繞組等值，T2兩個繞組也等值。

對圖2進行分析，通過變壓器T1的電流：

式中：I-通過 T1 的電流，Ia、Ib、Ic分別對應 A 點、B點、C點的電流；Id-通過負載Rl的電流。

對式（12）推導得：

則通過Rc的電流為：

2.1 功放等值同向輸出電流分析

當Ia＝Ib時，根據電路原理進行分析，則：

又因為T1變壓器初級與次級相等，因此：

由此可以得出，功率放大器1和功率放大器2輸出的功率是反向等值的在負載Rl上疊加，C端則無功率輸出，即：

圖2 功率合成原理電路圖

功率放大器1和功率放大器2的等效輸出負載為：

2.2 功放等值反向輸出電流分析

當Ia=-Ib時，根據電路原理進行分析，則：

即T1的初級與次級線圈上的電壓均為0，因而：

功率放大器1和功率放大器2的等效輸出負載為：

2.3 功放輸出電流不相等時分析

當Ia≠Ib時，根據電路原理進行分析，則A端電壓為：

將（21）代入（22）式得：

這時兩個功率放大器在Rl的合成功率與Rc的大小有關，此時Rc上消耗功率較大，具體可以通過上述方法進行分析。

3 實驗模擬及數據分析

本次實驗用功率三極管MRF148A作為信號功率輸出，通過調節磁性元器件的干擾，最大限度的測試變壓器的頻帶寬度，通過對電路系統不同頻率信號的測試（見圖3），調節外圍電路參數，充分發揮傳輸線變壓器的性能，得到電路系統的頻帶寬度曲線，最大頻帶范圍可以保持在30 Hz～60 MHz。

圖3 電路系統最大頻帶寬度

對實驗電路的分布參數進行測試，根據傳輸線理論，對電路進行參數分析。由于存在寄生參數，因此頻率對所有實際元件都有影響。并非所有的寄生參數都會影響測量結果，但正是某些主要的寄生參數確定了元件的頻率特性。當主要元件的阻抗值不同時，主要的寄生參數也會有所不同。功率放大器設計輸入阻抗大小應該與負載阻抗相同，這樣才能獲得最大的輸出功率。

通過調節匹配電容和電感，得到相應的匹配阻抗值（見表1）。

表1 變壓器阻抗測試數據

通過計算分析，得出阻抗不匹配，通過調節匹配電容、電感參數，使得傳輸線的阻抗相匹配，當阻抗相匹配時，反射系數減小。

其中：Vrefl-反射電壓；Vinc-入射電壓；ZO-特性阻抗；Zl-負載阻抗；Γl-反射系數。

表2 輸入與輸出功率數據

功率數據分析：通常情況下要保證同向并聯輸出，否則會出現失配。若要采用反向功率合成，兩路功率必須為推挽輸出形式（見表2）。

通過表2實驗數據，在阻抗匹配效果好時，效率能夠達到80%，通過改變磁芯，提高變壓器制作工藝，都可以進一步提高效率。

4 結論

本文通過對寬頻帶功率電路分析，設計傳輸線變壓器進行功率合成，通過實驗實測輸出效率最大達到80%，對比傳統的合成方式，傳輸線變壓器具有頻帶范圍更寬，合成效率更高等優點。而且在井下惡劣的環境中能夠保證穩定工作，為井下信號傳輸提供了保障，在深井作業將會有良好的應用前景。

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Research on power amplification method of downhole signal

YANG Fei
（Oil and Gas Drilling Technology National Engineering Laboratory，Xi'an Shiyou University，Downhole Measurement and Control Laboratory，Xi'an Shanxi 710065，China）

In order to make the collected signal smoothly transmitted to the ground.A power amplifier is required to enhance the signal.When more power is needed,single-channel power amplifier is not meet the requirements in the underground high-temperature environment,so the use of power synthesis method is very necessary.In this paper,through the analysis of the electromagnetic characteristics of transmission line transformers and experiment analysis,use a transmission line transformer as a wideband circuit power synthesizer.Impedance matching is performed by experimental measurements,and the synthesis efficiency can reach 80%.That is to say,transmission line transformers power synthesizers have a wider frequency band and higher synthesis efficiency.It is an efficient downhole power syn－thesis solution.

signal；power amplifier；well drilling；power combining

TN73

A

1673-5285（2017）12-0106-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.12.025

2017－11-20

楊飛，男，漢族，陜西渭南人，西安石油大學，碩士研究生，研究方向為旋轉導向鉆井儀器的設計。