功率合成技術在中波發射機中的應用探析

張 雷

（大連三〇三轉播臺，遼寧 大連 116600）

0 引 言

現階段，功率合成技術在中波發射機領域的應用極為廣泛，能夠為中波發射機提供功率穩定的輸出信號，并對分量信號形成抑制作用，在減少投用濾波器、促進集成化等方面具有重要作用價值[1]。本文基于功率合成技術概述分析，探討功率合成條件及功率合成技術在中波發射機中的實際應用，以期為充分發揮技術作用優勢提供參考。

1 功率合成技術概述

功率合成技術主要應用于功率合成與分配及阻抗變換中[1]。在具體實踐應用中，通常應用無源元件可以組成功率合成電路，并統稱為魔T 混合網絡[2]。應用功率合成技術構成的功放器，即功率合成器，是由數個功放單元、功率分配器等組合而成的系統[3]。

功率合成技術的應用效果直接影響中波發射機的輸出功率級別，最終影響到發射機的綜合指標[4]。為保證并有效提升功率合成技術在中波發射機中的應用效果，本文將基于功率合成條件分析，對該技術的實踐應用進行探析。

2 功率合成條件分析

2.1 功率相加條件分析

通常情況下，50 MHz 以下的高頻設備通常應用高頻合成變壓器進行功率合成[5]。以此為例，對功率相加條件進行深度分析。首先，將參與疊加的功放模塊設置成信號源，分別用U1,U2,…,Um表示；其次，將相應信號源下的內阻分別設置為R1,R2,…,Rm，各模塊所對應的合成變壓器初級線圈具有相同的匝數比，設置為K=17 ∶1[6]。

在各模塊中輸入初級電壓U、電流I，則各模塊的信號源關系如下：

各模塊的內阻關系[7]如下：

各模塊的輸出功率表示為：

為得到最大輸出功率，應通過功率最大化公式計算，得出獲得的最大化合成功率[7-8]。

功率最大化公式表示為：

得到的最大化合成功率表示為：

上述合成結果滿足功率相加條件，在獲得最大化功率方面具有有效性。

2.2 各功放模塊功率輸出相關性分析

各功放模塊功率輸出相關性分析，應對功放模塊損壞時損失的輸出功率、功放模塊損壞時剩余功放模塊的輸出功率進行分析[8]。

損失輸出功率計算方面，在功放模塊短路損壞狀態下，被短路的模塊不再產生射頻電壓，但無故障單元的電路輸出射頻電壓振幅不變[9]，即，各功放單元的電路輸出射頻電壓振幅U不變[9]。此時，功率合成變壓器的疊加次級電壓UL′狀態表示為：

式中：m表示功放模塊總數，n表示出現短路損壞的功放模塊數。

此狀態下，電流狀態與負載功率分別表示為式（11）、式（12）：

最終得出功放模塊短路損壞狀態下的損失功率為：

式中：n≤m。

基于上述分析可知，當中波發射機出現功放模塊損壞情況時，損失的功率為為保證中波發射機的使用安全，應盡快查找并清除個別功放模塊的損壞問題，必要時應及時進行功放模塊更換[10]。

剩余功放模塊輸出功率計算方面，若在模塊應用過程中出現n個功放模塊短路缺損、負載阻抗PL不變情況，則與變壓器初級相關的參數及變量發生改變[10]，變化情況如下：

此時，每個模塊的輸出功率轉變為：

高頻變壓器合成方式下，若出現短路缺損，功率合成的總輸出功率降低、輸入與輸出阻抗發生變化，且無故障模塊輸出功率下降，即短路缺損模塊越多，功率下降越多[11]。但通過實踐分析發現，功率合成器無法完全隔離，在缺損較少的情況下，功率變化情況對中波發射機的工作并不產生影響。

在開路缺損狀態下，已知合成器的輸出阻抗Rout為：

結合前文分析可知：

則：

此時，功放模塊的電流[11]表示為：

各功放模塊的功率表示為：

基于上述分析可知，若第一個模塊出現開路損壞，則變壓器的輸入阻抗將變大，功率合成器的功率無法輸出[11]。

3 功率合成技術類型及其在中波發射機中的應用

為有效推動中波發射機集成化、數字化、智能化發展，有必要對不同類型的功率合成器在中波發射機中的應用進行探析。下文主要探討λ/4 傳輸線段功率合成、變壓器混合網絡的實踐應用。

3.1 λ/4 傳輸線段功率合成

以TBV332 型發射機功率合成器為例，其配置了微帶傳輸線。λ/4 傳輸線在該型發射機中的應用具體有以下幾點。

（1）中波發射機的頻段增益大于18 dB，模塊上的合成電路由4 個兩路相同的功率合成器構成，合成支路的功放單元有2 路，合成器輸入、輸出特征阻抗為50 Ω，線路等效長度為25.0%，輸入信號通過λ/4 傳輸線轉換阻抗為702/50 Ω[12]。

（2）微帶線傳輸線對線路進行傳輸處理，在同等工況下，能夠保證功率合成與負載阻抗形成良好匹配關系。

（3）在運行階段，4 路射頻輸入功率不會出現損耗的問題，該功率合成可以將各功放模塊進行相應的隔離電阻銜接，為電路器件散熱提供便利條件[13]。

（4）若等幅信號輸送到各線路，則各線路在銜接隔離電阻過程中會形成相應的等幅反向電流，且不存在功率損耗的情況，使各模塊處于獨立工作的狀態中，如圖1 所示，為提高中波發射機運行實效奠定基礎。

圖1 λ/4 傳輸線段功率合成

3.2 變壓器混合網絡

以宏觀視角探析功率合成技術在中波發射機中的應用，可以將傳輸線變壓器看作傳輸線與變壓器的功能耦合[13]。在具體實踐中，需要將傳輸線環繞在高導磁率的高頻磁芯上，以實現能量的同步傳送。

圖2為傳輸變壓器的運行原理。圖中，L1，L2是兩節同軸電纜，該電纜是變壓器反相功率合成器的重要組成部分。

圖2 傳輸變壓器運行原理示意圖

通常情況下，若功率合成的輸出功率≤300 W，則其特性阻抗值為100 Ω，輸出阻抗值為200 Ω[13]。以圖2 所示的傳輸變壓器為例，探析變壓器合成器的運行機理，主要有以下幾點：

（1）圖中C點所對應的是和端輸出，D點所對應的是差端輸出；

（2）圖中A點與B點的輸入信號經過同等的電長度，且肉眼觀察可見其電路具有明顯的對稱性；

（3）圖中C點可以形成等幅反相電流，但電流通過疊加進行抵消，無法形成輸出功率；

（4）圖中D點形成的信號可以在相減后得到可順利輸出的合成功率，負載電阻可以通過功率合成器呈現在A點和B點上，并形成良好的匹配關系；

（5）T3處的功率輸出形式為平衡式輸出，輸出過程經過“平衡——不平衡傳輸——變壓器轉換——通過負載連接形成功率輸出”的完整體[13]。

4 結 語

本文以實踐應用為視角，對功率合成技術在中波發射機中的應用進行研究。功率合成技術的應用在滿足發射機運行要求的基礎上，提升了運行效率，且在節能等方面具有一定優勢。為進一步發揮功率合成技術的價值作用，應盡量保證輸入功率信號相位一致，規避功率消耗等問題。綜合而言，本文未以經濟性視角對功率合成技術的應用進行研究，需要在后續研究中進行補充。