講義第10章功率合成與分配技術(shù)

第十章功率合成與分配技術(shù)功率合成：通過(guò)功率合成網(wǎng)絡(luò)，將多個(gè)高頻功率放大器的輸出功率相加；功率分配：通過(guò)功率分配網(wǎng)絡(luò)，將高頻信號(hào)功率均勻、互不影響地同時(shí)分配給多個(gè)獨(dú)立的負(fù)載，使每個(gè)負(fù)載獲得功率相等、相位相同（或相反）的信號(hào)。常用方法：傳輸線變壓器、傳輸線定向耦合器和1/4波長(zhǎng)傳輸線等。功率合成與分配是相互聯(lián)系的，用作功率合成的晶體管，必須通過(guò)功率分配而得到激勵(lì)信號(hào)。合成網(wǎng)絡(luò)與分配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是相同的，其區(qū)別不過(guò)是信號(hào)源與負(fù)載相互調(diào)換了位置。第一節(jié)傳輸線變壓器功率合成與分配特點(diǎn)：頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、插入損耗小；用于VHF頻段、小功率等級(jí)。一、功率合成網(wǎng)絡(luò)傳輸線變壓器功率合成網(wǎng)絡(luò)如圖1-1所示。圖1-1傳輸線變壓器功率合成網(wǎng)絡(luò)uSA和uSB是頻率相同、幅度相等的信號(hào)源，RA和RB為內(nèi)阻，RC為和端電阻，RD為差端電阻，R=Z0為傳輸線變壓器的特性阻抗。將圖1-1等效為圖1-2。圖1-2傳輸線變壓器功率合成網(wǎng)絡(luò)等效電路1、A端和B端同時(shí)加入同頻、同相、大小相等的高頻信號(hào)流過(guò)RA的電流為IA，流過(guò)RB的電流為IB。由傳輸線理論可知，若終端匹配并忽略傳輸線本身的損耗時(shí)，流過(guò)兩繞組的電流大小相等，但相對(duì)于同名端而言方向相反，即一個(gè)流入同名端，一個(gè)流出同名端，如圖1-2所示。，/USA=USB=U，Ra=Rb=R，IA=IBT，UA=U-IaRA=U-IR，Ub=U-IbRb=U-1R，AU=U，U=0，I=0，I=I=L=I，R上得到的功率P=0ABAB21ABDD在匹配的狀態(tài)下(RC=R/2)，每一信號(hào)源送出的功率為I2R(I為有效值)，負(fù)載RC得到的功率為PC=(2I1)2RC=(2I)2R/2=2I2R，為A、B兩點(diǎn)注入功率之和。C點(diǎn)對(duì)地電壓：UC=2IR/2=IRVuI=2I2R，u=2IRAUA=UB=u-IR=2IR-IR=IR=UC，說(shuō)明A、B、C三點(diǎn)同電位。2、A端和B端同時(shí)加入同頻、同相、大小不等的高頻信號(hào)變壓器兩繞組的匝數(shù)相等，分析時(shí)可認(rèn)為兩繞組的電壓大小相等，電流相等（相對(duì)于同名端而言方向相反）。根據(jù)圖1-2可得到以下關(guān)系（注意：矢量關(guān)系）：】a=IB=UA=UB=將式UA+UB】1+：2EUAC+2I1RC=UAC+】1】a=IB=UA=UB=將式UA+UB】1+：2EUAC+2I1RC=UAC+】1RUBC+2I1RC=氣+】1R(1-3)和(1-4)相加，得=2I1R(1-3)(1-1)(1-2)(1-4)(1-5)設(shè)兩信號(hào)源對(duì)外供出的功率分別為PA=U2A/R和PB=U2B/R,RC上得到的功率PC:PC=(2I1)2RC=[2(UA+UB)/2R]2R/2=1/2(U2A/R+U2B/R)+UAUb/R=1/2(PA+PB)+、P~P~'AB(1-8)在RD上得到的功率PD：PD=I22RD=[(UA-UB)/2R]22R=1/2(U2A/R+U2B/R)-UAUb/R=1/2(PA+PB)-.,,PP(1-9)由(1-8)和(1-9)可知，當(dāng)UA=UB時(shí)，PA=PB，PC=PA+PB=2P,PD=0。當(dāng)信號(hào)源的幅度不相等，例如令PA=2Pb，盡管相差2倍，經(jīng)計(jì)算可知，PC=2.9PB(占全部功率的96.67%),PD=0.1PB(占全部功率的3.33%)，負(fù)載仍能得到絕大部分功率。在PB=0(或PA=0)的特殊情況下，則，PC=0.5PA，PD=0.5PA，即RC和RD各得到一半功率。這種情況代表利用兩個(gè)晶體管進(jìn)行同相功率合成時(shí)，其中一管損壞，其輸出功率為0。另一管的輸出功率只有一半送給負(fù)載PC，另一半消耗在RD上，負(fù)載上得到的功率只有雙管工作時(shí)的1/4。兩個(gè)高頻信號(hào)之間的相位差為e(1-10)(1-11)(1-12)(1-13)3、A兩個(gè)高頻信號(hào)之間的相位差為e(1-10)(1-11)(1-12)(1-13)設(shè)兩信號(hào)源對(duì)外供出的功率分別為PA=U2A/R和PB=U2B/RRC上得到的功率PC:pc=1/2(pa+pb)+、,.PPcose'ABRD上得到的功率PD：pd=1/2(pa+pb)二PPCOSe■AB若e=300,則PC=PB+0.89Pb=1.89PB(占94.5%)PD=PB+0.89Pb=0.11PB(占5.5%)PC=1/2(PA+Pb)kfAB特例：e=1800(即反相激勵(lì))，則根據(jù)(1-10)和(1-11)PD=1/2(PA+Pb)hP^AB此時(shí)，信號(hào)功率將在RD上合成，如PA=PB，RC上得到的功率為0。PC=1/2(PA+Pb)kfAB、功率分配網(wǎng)絡(luò)(一)、同相功率分配同相功率分配網(wǎng)絡(luò)如圖1-3(a)所示。RC為信號(hào)源內(nèi)阻，忽略RC后的等效電路如圖1-3(b)所示。RA和RB可視為兩晶體管放大器的輸入阻抗，RD是平衡電阻。圖1-3同相功率分配網(wǎng)絡(luò)在匹配狀態(tài)下，得到下列關(guān)系：Ia='-J(1-14)冒Ii+I2，(1-15)VUAC+U=IARA及UCB+IBRB=U得UAC=IARA-UEUCB=-IBRB+U(1-17)(1-16)與(卜17)相加：UAC+UCB=UAB=】ARA-IBRB=】2RD(1一18)(1-16)與(1-17)相減：IaRa-2U+IBRB=0(UAC=UCB)(1-19)將式(1-16)—(1-19)聯(lián)立，解得四個(gè)電流分別為】A=2U(Rd+2Rb)/(RaRd+RbRD+4RARB)(1-20)Ib=2U(Rd+2Ra)/(RaRd+RbRd+4RaRb)(1-21)I1=2U(Ra+Rb+Rd)/(RaRd+RbRd+4RaRb)(1-22)I2=2U(RA-Rb)/(RARd+RBRD+4RARB)(1-23)令Ra=nR,RB=R,RD=2R(R=Z°,為傳輸線的特性阻抗)，得：IA=4U/(3n+1)R(1-24)IB=2(n+1)U/(3n+1)R(1-25)I1=(n+3)U/(3n+1)R(1-26)12=(n-1)U/(3n+1)R(1-27)根據(jù)式(1-24)和(1-25)，得：IA=[2/(n+1)]IB(1-28)I2=[(n-1)/2(n+1)]IB(1-29)PA=IA2RA={[2/(n+1)]IB}2nR=4n/(n+1)2?IB2R=[4n/(n+1)2]?PB(1-30)PD=I22RD=d/2).(n-1)2/(n+1)2?PB(1-31)當(dāng)n=1時(shí)，即RA=RB=R:IA=IB，PA=PB，PD=0，I2=0(1-32)若n=2，即RA和RB相差一倍，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，Ra和Rb得到的功率分別占總功率的45.8%和51.4%,總功率的2.8%消耗在平衡電阻RD上。(二)、反相功率分配反相功率分配網(wǎng)絡(luò)及等效電路如圖圖1-4所示圖1-4反相功率分配網(wǎng)絡(luò)與圖1-3不同的是內(nèi)阻為RD的信號(hào)源接在A、B之間，忽略Rd后等效電路如圖1-4(b)所示，圖中的RC為平衡電阻。與同相功率分配網(wǎng)絡(luò)分析相似，可以得到IA、ib、％和i2的表達(dá)式。如果ra=rb=r,rc=r/2時(shí)，PA=PB(二者的高頻電壓相位相反)，PC=0。第二節(jié)帶狀線定向耦合器功率合成與分配一、3dB帶狀線定向耦合器圖2-1所示是帶狀線定向耦合器結(jié)構(gòu)示意圖。帶狀線定向耦合器是一個(gè)四端口器件，線長(zhǎng)為中心頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的1/4,各端口都接以匹配負(fù)載。若信號(hào)源由端口1接入，則端口2、4有輸出，而3端沒(méi)有輸出。圖2-1帶狀線定向耦合器結(jié)構(gòu)示意圖帶狀線定向耦合器有如下特性：（1）、出端2是通過(guò)電磁耦合而輸出能量，稱為耦合端；4端是靠傳導(dǎo)而輸出能量，稱為直通端；3端無(wú)能量輸出，稱為隔離端。（2）、2端輸出電壓與輸入端1輸入電壓同相，電壓大小之比稱為電壓耦合系數(shù)K0=IU2/U]I，，其功率與輸入功率之比，稱為功率耦合系數(shù)C0=K20=IU2/U1I2，通常用dB表示為：TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"C0=10lgIU2/U1I2（2-2）巨一根據(jù)帶狀線理論，K0=5，K20=0.5,即P2=0.5P],用dB表示的耦合度：\o"CurrentDocument"20lgIU2/U1I=10lgIU2/U1I2=-3dB。（2-3）（3）、輸出端4的U4與U1的關(guān)系："4）U"00（2-4）421P4/P1=IU4叫2如5，10lgP4/P1=-3dB（2-6）⑷、2端的輸出功率與隔離端3的輸出功率之比，稱為定向耦合器的定向系數(shù)，通常用dB表示為：\o"CurrentDocument"D=10lgIU2/U3I2=10lgP2/P3（dB）（2-7）在理想情況下，U3=0，D為無(wú)窮大。實(shí)用中一般對(duì)D提出一個(gè)起碼的要求，例如要求大于35dB。（5）、電壓駐波比（VSWR）：電壓駐波比的定義為：VSWR=（入射波電壓+反射波電壓）/（入射波電壓-反射波電壓）（2-8）取決于各端的匹配程度，一般要求小于1.1（相當(dāng)于反射電壓小于0.0476入射電壓）。二、3dB帶狀線定向耦合器功率合成與分配（一）、功率分配將輸入信號(hào)U1（振幅值）加于端口1，如圖2-2所示，各端口功率關(guān)系如下：P1=（1/2）U//R?巨P2=（1/2）（—U1）2/R=（1/2）P1P3=0P4=（1/2）（5UJ2/R=（1/2）P12端和4端各分得一半的輸入功率，實(shí)現(xiàn)了功率分配（但電壓相位差900）。圖2-23dB定向耦合器功率分配（二）功率合成將兩個(gè)相位差900的信號(hào)源分別加在3dB定向耦合器的兩個(gè)相互隔離端，例如如圖2-3所示的2端和4端，則可實(shí)現(xiàn)在3端的功率合成?，F(xiàn)分析如下：設(shè)u2=U2°°0,u4=U4°見(jiàn)0,對(duì)于u2而言,1端為耦合端,得到同相的耦合電壓U'1=WU2O’0。。巨e’900而3端為直通端，得到落后900的直通電壓U'3=5U2。對(duì)于u4而言,3端為耦合端，得到同相的耦合電壓u3”=Wu4e’900，而1端為直通端，得到落后900的直通電壓U^^gqe’1800324124因此，在兩個(gè)電源的共同作用下，當(dāng)U2=U4=U時(shí)，1端的輸出電壓為U1=U'1+U^1^22U2e’°0+W2e-；900^/2ue-’900v2u&’90°e_’1800x-;2U4=0，3端的輸出電壓為U3=U'3e-；900^/2ue-’900v2u&’90°端口2和4輸入功率分別為：P2=（1/2）U2/R，P4=（1/2）U2/R1端輸出功率為P]=0；3端輸出功率為P3=（1/2）U；2U）2/R=2P2=2P4當(dāng)U2和U4相位差900，但U2#U4時(shí)，會(huì)有少量的功率傳到1端的吸收電阻而被消耗掉。圖2-33dB定向耦合器功率合成第三節(jié)調(diào)頻與電視廣播用雙工器與多工器調(diào)頻廣播或電視廣播發(fā)射機(jī)，可借助雙工器或多工器，實(shí)現(xiàn)不同頻率的信號(hào)功率的合成，共用一條饋線和一套天線。一、等臂3dB橋雙工器和多工器（一）、等臂3dB橋?yàn)V波式雙工器分別將兩個(gè)3dB耦合器和濾波器對(duì)臂連接成橋式，構(gòu)成橋式雙工器。濾波器可分為帶阻式（陷波式）和帶通式兩種。1、等臂3dB橋帶阻式雙工器等臂3dB橋帶阻式雙工器構(gòu)成如圖3-1所示。圖3-1等臂3dB橋帶阻式雙工器構(gòu)成圖像信號(hào)由3dB定向耦合器I送入，經(jīng)耦合器I進(jìn)行功率分配（兩路電壓相差900），兩個(gè)帶阻（對(duì)伴音而言）濾波器對(duì)圖像信號(hào)來(lái)說(shuō)無(wú)影響，可以暢通無(wú)阻地通過(guò)，兩路相差900的圖像電壓，通過(guò)耦合器II，在天線端實(shí)現(xiàn)功率合成。伴音信號(hào)由3dB定向耦合器II送入，經(jīng)進(jìn)行功率分配，兩路電壓相差900，沿著等臂長(zhǎng)向兩個(gè)帶阻（對(duì)伴音而言）濾波器傳去，形成全反射后又返回耦合器II,也在天線端進(jìn)行功率合成。帶阻濾波器并非理想，漏過(guò)的伴音信號(hào)送入耦合器I，在吸收電阻R0上合成而消耗掉，而不會(huì)送到圖像發(fā)射機(jī)。等臂3dB橋帶阻式雙工器既實(shí)現(xiàn)了在天線上的功率合成，又使圖像發(fā)射機(jī)和伴音發(fā)射機(jī)相互隔離。2、等臂3dB橋帶通式雙工器等臂3dB橋帶通式雙工器構(gòu)成如圖3-2所示。圖3-2等臂3dB橋帶通式雙工器構(gòu)成由圖3-2可以看出，與等臂3dB橋帶阻式雙工器不同，一是將圖像與伴音信號(hào)的位置相互對(duì)調(diào)，二是兩個(gè)濾波器對(duì)伴音信號(hào)是帶通（對(duì)圖像來(lái)說(shuō)是帶阻）。分析方法同上，在正常工作情況下，圖像與伴音信號(hào)在天線合成。3、實(shí)用的電視廣播雙工器為了有效抑制fv-4.43MHz（fv為圖像載波頻率）頻率成分，降低對(duì)鄰頻道的干擾，實(shí)際的圖像與伴音雙工器如圖3-3所示。"圖3-3實(shí)用的電視廣播雙工器組成部分：3dB定向耦合器I和II，兩個(gè)伴音反射器，兩個(gè)（fv-4.43MHz）頻率成分反射器，一個(gè)吸收電阻R0。工作原理如下：'圖像信號(hào)：由3dB定向耦合器I的1端輸入，由2端和4端輸出兩路差相900的信號(hào)。反射元件對(duì)圖像信號(hào)呈并聯(lián)諧振，故無(wú)反射而直接送到3dB定向耦合器II的1端和3端，在耦合器II的4端功率合成而送往天線，在2端相互抵消，不影響伴音發(fā)射機(jī)。伴音信號(hào)：由3dB定向耦合器II的2端輸入，經(jīng)3dB定向耦合器II的1端和3端輸出兩路差相900的信號(hào)，由于伴音反射器對(duì)伴音信號(hào)呈短路狀態(tài)，兩路信號(hào)在此形成全反射，又返回3dB定向耦合器II的1端和3端，最后在3dB定向耦合器II的4端功率合成而送往天線，在2端相互抵消而不返回伴音發(fā)射機(jī)。實(shí)際上伴音反射器對(duì)伴音信號(hào)不可能實(shí)現(xiàn)理想全反射，回有少量的功率傳到3dB定向耦合器I，如果漏過(guò)去的功率相同，二者將在耦合器I的1端相互抵消而不會(huì)影響圖像發(fā)射機(jī)，在耦合器I的3端相疊加，被吸收電阻吸收。圖像發(fā)射機(jī)送來(lái)的圖像信號(hào)中的fv-4.43MHz頻率成分，經(jīng)fv-4.43MHz反射器全反射后，返回耦合器I的2端和4端，最后在1端相抵消^而不送回圖像發(fā)射機(jī)，在3端疊加而被吸收電阻吸收。（二）、等臂3dB橋?yàn)V波式多工器由兩個(gè)等臂3dB橋可構(gòu)成三工器，可以實(shí)現(xiàn)三種不同頻率的信號(hào)合成，例如一套電視節(jié)目的圖像與伴音以及一套調(diào)頻節(jié)目的功率合成。1、等臂3dB橋帶阻式三工器圖3-4所示是等臂3dB橋帶阻式三工器構(gòu)成原理圖。圖3-4等臂3dB橋帶阻式三工器原理圖第一個(gè)3dB橋中的濾波器對(duì)伴音信號(hào)來(lái)說(shuō)是帶阻，對(duì)圖像信號(hào)來(lái)說(shuō)是帶通；伴音和圖像信號(hào)先在第一個(gè)3dB橋中合成后，送入第二個(gè)3dB橋，再與FM信號(hào)在天線合成。第二個(gè)3dB橋中的濾波器對(duì)FM信號(hào)是帶阻，對(duì)圖像與伴音信號(hào)來(lái)說(shuō)是帶通。2、等臂3dB橋帶通式三工器圖3-5所示是等臂3dB橋帶通式三工器構(gòu)成原理圖。圖3-5等臂3dB橋帶通式三工器原理圖二、星形雙工器最簡(jiǎn)單的星形雙工器適用于調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)，其構(gòu)成原理如圖3-6所示。圖3-6(a)陷波器組成的星形雙工器陷波器N2對(duì)信號(hào)f1呈現(xiàn)高阻抗，而陷波器N1對(duì)信號(hào)f1形成串聯(lián)諧振，呈現(xiàn)極低阻抗，相當(dāng)于\1/4傳輸線的負(fù)載為0，其輸入阻抗為無(wú)窮大，即圖3-6(a)的右側(cè)部分對(duì)信號(hào)f1呈現(xiàn)高阻抗，促使信號(hào)f1直接送往天線；同理，圖3-6(a)的左側(cè)部分對(duì)信號(hào)f2呈現(xiàn)高阻抗，促使信號(hào)f2直接送往天線。也可用帶通濾波器構(gòu)成星形雙工器，如圖3-6(b)所示，它由f1和f2帶通濾波器和一個(gè)分支電路組成。圖3-6