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        射頻功率合成的原理

        2018-02-23 12:47:26王保梁
        電子技術(shù)與軟件工程 2018年6期
        關(guān)鍵詞:發(fā)射功率

        王保梁

        摘要 在廣播電視事業(yè)的發(fā)展進程中,大功率全固態(tài)發(fā)射機以其體積小,結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊、運行穩(wěn)定和高效可靠的特點,已成為發(fā)射機市場的主流。

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

        在發(fā)射機中,要獲得較大的發(fā)射功率,單個電子器件所能輸出的功率無法滿足需要,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)就是利用多個功率放大電路同時對輸入信號進行放大,然后設(shè)法將各個功放的輸出信號相加,這樣得到的總輸出功率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個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各率放大器互相隔離,即當(dāng)其中某一個功率放大器損壞時,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。即一個良好的功率合成網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)具有兩個特性:

        (1)功率疊加且合成時功率損耗最小;

        (2)隔離特性,即兩個合成源放大器互不影響工作狀態(tài)。

        圖1為采用7個功率增益為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個一分為二的功率分配器和3個二合一的功率合成器。功率分配器的作用在于將前級功放的輸出功率平分為若干份,然后分別提供給后級若干個功放電路。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)

        利用傳輸線變壓器可以組成各種類型的功率分配器和功率合成器,且具有頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡單、插入損耗小等優(yōu)點,然后可進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

        圖2網(wǎng)絡(luò)由4:1傳輸線變壓器和相應(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。

        傳輸線變壓器的特性阻抗Ze和每條臂上的阻值滿足以下關(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。信號源接在co臂,圖3 (a)。其輸出功率同相地(見圖3中Ia、Ib方向,均流向地)平均分配給AO、BO臂上的負(fù)載,DD臂上無電流。即CO臂與DD臂相互隔離。

        由電路可知,當(dāng)Ra= Rb=R時,電路對稱,VA=VB因而Id =O。己知傳輸線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,傳輸線上無電壓。可將傳輸線變壓器的A、B、C三個點短路,得到圖3 (b)電路??梢娫谝?guī)定的各臂阻值條件下,信號源與負(fù)載匹配,co臂上信號源輸出額定功率,AO、BO上獲得同相等功率信號:

        (2)反相分配。信號源接在DD臂,見圖4。其輸出功率反相地(見圖4(a)中Ia、lb方向)分配給AO、BO臂上的負(fù)載,00臂上無電流。由電路可知,當(dāng)Ra= Rb=R時,電路對稱,VC=VD,IC=O。由于傳輸線上兩電流相等,因此有I+I= IC=O,傳輸線上無電流??蓪鬏斁€開路,得圖4 (b)等效電路??梢娫谝?guī)定的各臂阻值下,信號源與負(fù)載匹配。信號源輸出額定功率,AO、BO上獲得反相等功率輸出。

        2.2.2 功率合成

        見圖5所示。

        AO、BO上接有相同的信號源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兩臂的信號源的正負(fù)極性如圖5 (a)所示,稱之為同相源,則此時電流Ia、Ib、為正。

        由于電路對稱,所以Ia=lb,則Id=0??梢娕c同相分配時的道理一樣,可以將電路等效為圖5 (b)所示。CO臂上的1/2R可以看作兩個電阻R的并聯(lián),所以AO、BO兩支路上的信號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,故稱為同相功率合成。

        若AO、BO兩臂的信號源為反相源,則Ib為負(fù),因此

        Ic=21=0

        傳輸線上無電流,可將其開路,得到圖5(C)。Id=la.AO、BO兩臂上的兩信號源工作于匹配狀態(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,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,兩臂中的任一臂變化,不影響另一臂得到的功率大小。下面簡單證明此特性。

        (1)功率合成時的隔離。若AO上接信號源Va,見圖6(a)??梢宰C明Va在BO臂上不產(chǎn)生電流。

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

        由傳輸線變壓器的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,信號源Va在BO臂上產(chǎn)生的電流為開路電壓VBO除以開路電阻RBO。由于開路電壓VBO為零,所以Va在BO臂上不產(chǎn)生電流。BO臂上任何變化不會影響Va的工作狀態(tài)。且由圖6(c)還可以看出以下幾點:①即使當(dāng)BO臂斷開,信號源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,PCO=PAO+PBO,DD臂上無功率,稱DD臂為空閑臂。但當(dāng)工作不正常時,如BO臂斷開,空閑臂DD則保證AO臂正常工作。因此正常工作時,空閑臂必須接上。③當(dāng)BO臂開路時,CO臂的功率下降為PC0=1/2PAO是正常合成時的1/4了。Va輸出的另一半功率給了DD臂。

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

        VBO=VBC+V+VCO=V

        在求開路電阻RBO時,先將00臂上信號源V短路,在BO臂上加電壓源Vb,見圖7 (c)所示。通過求電流Ibo,得開路電阻RBO=Vb/lbo,根據(jù)功率合成時的隔離特性BO臂上加信號源時,AO上無電流,可將Ra開路,則得7(d)所示電路,因而BO端的開路電阻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。下面通過一個實例說明功率合成電路的設(shè)計方法。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推挽狀態(tài),輪流導(dǎo)通,因此它們是兩個反相源。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。信號源內(nèi)阻Rs=20Ω,是單端輸出,因此經(jīng)過Tγ1將不平衡轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶舛?,在功率和與分配網(wǎng)絡(luò)的平衡臂DD實現(xiàn)反相分配。同理Tγ6將單端天線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的阻抗變換傳輸線變壓器。其中各傳輸線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變壓器。由于沒有選頻回路,因此晶體管必須工作于乙類或甲乙類,而不能工作于丙類。

        由傳輸線變壓器構(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性放大器。

        參考文獻

        [1]北京北廣科技股份有限公司FM618-3KW調(diào)頻立體聲廣播發(fā)射機技術(shù)說明書,

        [2]嚴(yán)志剛,射頻功率合成技術(shù)[J],內(nèi)蒙古廣播與電視技術(shù),2003 (02).

        [3]孫玉平,李新民.射頻功率合成技術(shù)分析[J].西部廣播電視,2013 (05).

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