射頻功率合成的原理

王保梁

摘要 在廣播電視事業(yè)的發(fā)展進(jìn)程中，大功率全固態(tài)發(fā)射機(jī)以其體積小，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、運(yùn)行穩(wěn)定和高效可靠的特點(diǎn)，已成為發(fā)射機(jī)市場(chǎng)的主流。

【關(guān)鍵詞】發(fā)射功率 分配網(wǎng)絡(luò) 功率合成

在發(fā)射機(jī)中，要獲得較大的發(fā)射功率，單個(gè)電子器件所能輸出的功率無(wú)法滿(mǎn)足需要，所以在功放單元必須采用功率合成技術(shù)。功率合成技術(shù)就是利用多個(gè)功率放大電路同時(shí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，然后設(shè)法將各個(gè)功放的輸出信號(hào)相加，這樣得到的總輸出功率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個(gè)功放電路的輸出功率。

1 功率合成的特性

利用功率合成技術(shù)可以獲得幾百瓦甚至上千瓦的高頻輸出功率。理想的功率合成器不但應(yīng)具有功率合成的功能，還必須在其輸入端使與其相接的前級(jí)各率放大器互相隔離，即當(dāng)其中某一個(gè)功率放大器損壞時(shí)，相鄰的其它功率放大器的工作狀態(tài)不受影響，僅僅是功率合成器輸出總功率減小一些。即一個(gè)良好的功率合成網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)具有兩個(gè)特性：

（1）功率疊加且合成時(shí)功率損耗最小;

（2）隔離特性，即兩個(gè)合成源放大器互不影響工作狀態(tài)。

圖1為采用7個(gè)功率增益為2，最大輸出功率為10 W的高頻功放，利用功率合成技術(shù)，可以獲得40W的功率輸出。其中采用了3個(gè)一分為二的功率分配器和3個(gè)二合一的功率合成器。功率分配器的作用在于將前級(jí)功放的輸出功率平分為若干份，然后分別提供給后級(jí)若干個(gè)功放電路。很顯然，討論功率合成技術(shù)，首先應(yīng)該討論功率分配和功率合成網(wǎng)絡(luò)。

2 功率合成與分配網(wǎng)絡(luò)

利用傳輸線(xiàn)變壓器可以組成各種類(lèi)型的功率分配器和功率合成器，且具有頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、插入損耗小等優(yōu)點(diǎn)，然后可進(jìn)一步組成寬頻帶大功率高頻功放電路。

圖2所示的網(wǎng)絡(luò)即具有上述特性，既可以作功率分配，又可作功率合成。

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖2網(wǎng)絡(luò)由4：1傳輸線(xiàn)變壓器和相應(yīng)的AO、BO、CO、DD四條臂組成，其中DD臂是平衡臂，臂的兩端均不接地。

傳輸線(xiàn)變壓器的特性阻抗Ze和每條臂上的阻值滿(mǎn)足以下關(guān)系：

Zc=Ra= Rb= Re

Rc=l/2 R Rd=R

2.2 網(wǎng)絡(luò)功能

2.2.1 功率分配

（1）同相分配。信號(hào)源接在co臂，圖3 （a）。其輸出功率同相地（見(jiàn)圖3中Ia、Ib方向，均流向地）平均分配給AO、BO臂上的負(fù)載，DD臂上無(wú)電流。即CO臂與DD臂相互隔離。

由電路可知，當(dāng)Ra= Rb=R時(shí)，電路對(duì)稱(chēng)，VA=VB因而Id =O。己知傳輸線(xiàn)變壓器的始端電壓與終端電壓相等，即VCA=VBA，而VB-VA=VBC-VCA，所以必有VCA= VBC=O，傳輸線(xiàn)上無(wú)電壓。可將傳輸線(xiàn)變壓器的A、B、C三個(gè)點(diǎn)短路，得到圖3 （b）電路。可見(jiàn)在規(guī)定的各臂阻值條件下，信號(hào)源與負(fù)載匹配，co臂上信號(hào)源輸出額定功率，AO、BO上獲得同相等功率信號(hào)：

（2）反相分配。信號(hào)源接在DD臂，見(jiàn)圖4。其輸出功率反相地（見(jiàn)圖4（a）中Ia、lb方向）分配給AO、BO臂上的負(fù)載，00臂上無(wú)電流。由電路可知，當(dāng)Ra= Rb=R時(shí)，電路對(duì)稱(chēng)，VC=VD，IC=O。由于傳輸線(xiàn)上兩電流相等，因此有I+I= IC=O，傳輸線(xiàn)上無(wú)電流。可將傳輸線(xiàn)開(kāi)路，得圖4 （b）等效電路。可見(jiàn)在規(guī)定的各臂阻值下，信號(hào)源與負(fù)載匹配。信號(hào)源輸出額定功率，AO、BO上獲得反相等功率輸出。

2.2.2 功率合成

見(jiàn)圖5所示。

AO、BO上接有相同的信號(hào)源Va=Vb=V，且內(nèi)阻為R。設(shè)各臂的電流方向如圖示，則有

Ia=l+lbld=l-Id

將上面兩式相加或相減，分別得到

Ia+lb=21=1e及Id=l/2 （Ia-Id）

設(shè)AO、BO兩臂的信號(hào)源的正負(fù)極性如圖5 （a）所示，稱(chēng)之為同相源，則此時(shí)電流Ia、Ib、為正。

由于電路對(duì)稱(chēng)，所以Ia=lb，則Id=0。可見(jiàn)與同相分配時(shí)的道理一樣，可以將電路等效為圖5 （b）所示。CO臂上的1/2R可以看作兩個(gè)電阻R的并聯(lián)，所以AO、BO兩支路上的信號(hào)源均工作于匹配狀態(tài)，輸出額定功率。

Pco=PAO+PB0=2V2/4R

鑒于AO、BO為同相源，故稱(chēng)為同相功率合成。

若AO、BO兩臂的信號(hào)源為反相源，則Ib為負(fù)，因此

Ic=21=0

傳輸線(xiàn)上無(wú)電流，可將其開(kāi)路，得到圖5（C）。Id=la.AO、BO兩臂上的兩信號(hào)源工作于匹配狀態(tài)，它們的輸出功率在DD臂上合成。輸出功率為

PDO=PAO+PB0=2V2/4R

鑒于AO、BO為反相源，故稱(chēng)為反相功率合成。

2.2.3 隔離特性

由功率分配的特性中可以看出co臂與DD臂是互相隔離的。可以證明，功率合成與分配網(wǎng)絡(luò)的AO臂和BO臂同樣也是互相隔離的。此隔離特性的含義是：在功率合成時(shí)，AO、BO兩臂中任何一臂發(fā)生變化，不影響另一臂的工作狀態(tài)，即不影響它的負(fù)載情況，因而仍輸出額定功率。在功率分配時(shí)，兩臂中的任一臂變化，不影響另一臂得到的功率大小。下面簡(jiǎn)單證明此特性。

（1）功率合成時(shí)的隔離。若AO上接信號(hào)源Va，見(jiàn)圖6（a）。可以證明Va在BO臂上不產(chǎn)生電流。

將電路在B、O兩點(diǎn)斷開(kāi)，如圖6（b）所示，求開(kāi)路電壓VBO。

由傳輸線(xiàn)變壓器的4：1阻抗變換功能，將圖6 （b）等效為圖6（c）。由于AC和CO支路電阻相等則有

VAC=VCO。

由于傳輸線(xiàn)變壓器的始、終端電壓相等，即VCA=VBC。所以有

VBO=VBC+VCO=-VAC+VCO=O

根據(jù)戴維南定理，信號(hào)源Va在BO臂上產(chǎn)生的電流為開(kāi)路電壓VBO除以開(kāi)路電阻RBO。由于開(kāi)路電壓VBO為零，所以Va在BO臂上不產(chǎn)生電流。BO臂上任何變化不會(huì)影響Va的工作狀態(tài)。且由圖6（c）還可以看出以下幾點(diǎn)：①即使當(dāng)BO臂斷開(kāi)，信號(hào)源Va仍處于匹配工作狀態(tài)，仍輸出額定功率;②空閑臂DD不能少。在正常同相功率合成時(shí)，PCO=PAO+PBO，DD臂上無(wú)功率，稱(chēng)DD臂為空閑臂。但當(dāng)工作不正常時(shí)，如BO臂斷開(kāi)，空閑臂DD則保證AO臂正常工作。因此正常工作時(shí)，空閑臂必須接上。③當(dāng)BO臂開(kāi)路時(shí)，CO臂的功率下降為PC0=1/2PAO是正常合成時(shí)的1/4了。Va輸出的另一半功率給了DD臂。

（2）功率分配時(shí)的隔離。若C0臂上接信號(hào)源V，可以證明B0臂上的功率與AO臂上電阻Ra無(wú)關(guān)。用戴維南定理計(jì)算出BO端的開(kāi)路電壓VBO和開(kāi)路電阻RBO。見(jiàn)圖7（a）所示，將BO臂開(kāi)路。由傳輸線(xiàn)變壓器的4：1阻抗變換功能，得到圖7 （b）所示等效電路，即VAC=VCO。由于傳輸線(xiàn)變壓器的端電壓相等，所以開(kāi)路電壓：

VBO=VBC+V+VCO=V

在求開(kāi)路電阻RBO時(shí)，先將00臂上信號(hào)源V短路，在BO臂上加電壓源Vb，見(jiàn)圖7 （c）所示。通過(guò)求電流Ibo，得開(kāi)路電阻RBO=Vb/lbo，根據(jù)功率合成時(shí)的隔離特性BO臂上加信號(hào)源時(shí)，AO上無(wú)電流，可將Ra開(kāi)路，則得7（d）所示電路，因而B(niǎo)O端的開(kāi)路電阻RBO=R，因此BO臂得到的功率為PB=V2/4R，它與AO臂電阻Ra無(wú)關(guān)。

3 功率合成電路

將功率合成與分配網(wǎng)絡(luò)配上合適的功率放大器就可構(gòu)成功率合成電路。功率合成電路可以采用同相合成也可以反相合成，反相功率合成電路能抵消偶次諧波，因此失真較小。下面通過(guò)一個(gè)實(shí)例說(shuō)明功率合成電路的設(shè)計(jì)方法。圖8是反相功率合成原理電路。

兩晶體管的輸入電阻為Ri=2.5Ω，輸出最佳負(fù)載電阻為R0=25Ω。由于兩放大器工作于乙類(lèi)推挽狀態(tài)，輪流導(dǎo)通，因此它們是兩個(gè)反相源。在輸出端兩放大器的輸出功率應(yīng)反相合成，而在輸入端應(yīng)反相分配。信號(hào)源內(nèi)阻Rs=20Ω，是單端輸出，因此經(jīng)過(guò)Tγ1將不平衡轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶舛耍诠β屎团c分配網(wǎng)絡(luò)的平衡臂DD實(shí)現(xiàn)反相分配。同理Tγ6將單端天線(xiàn)ra=50Ω變換成平衡端，以得到反相合成的功率。Tγ2是功率分配網(wǎng)絡(luò)，Tγ5是功率合成網(wǎng)絡(luò)。Tγ3和Tγ4是4：1的阻抗變換傳輸線(xiàn)變壓器。其中各傳輸線(xiàn)變壓器的特性阻抗應(yīng)為

ZCl=20Ω，ZC2=10Ω，ZC3=lOΩ， ZC4=5Ω，ZC5=25Ω.ZC6=50Ω

特別要注意的是，圖8所示的功率放大器是寬帶放大器，它的阻抗變換網(wǎng)絡(luò)均采用了寬帶的傳輸線(xiàn)變壓器。由于沒(méi)有選頻回路，因此晶體管必須工作于乙類(lèi)或甲乙類(lèi)，而不能工作于丙類(lèi)。

由傳輸線(xiàn)變壓器構(gòu)成的功率合成與分配網(wǎng)絡(luò)既可用于功率分配，又可用于功率合成。該網(wǎng)絡(luò)各臂的阻抗必須嚴(yán)格匹配，這樣才能保證它的平均分配、信號(hào)源輸出額定功率以及各臂間的隔離特性。帶有功率合成與分配網(wǎng)絡(luò)的功率合成電路是一種寬帶線(xiàn)性放大器。

參考文獻(xiàn)

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