高頻功率合成技術(shù)

高頻功率合成技術(shù)一、合成技術(shù)在高頻功放中，當(dāng)需要的輸出功率超過單個(gè)器件所能輸出的功率時(shí)，可以將幾個(gè)器件的輸出疊加起來，以獲得足夠的輸出功率，這就是功率合成技水。功率合成技術(shù)是全固態(tài)中波發(fā)射機(jī)的核心技術(shù)之一。對(duì)于被合成的功率器件，不但要求它們工作于同頻率，還要求它們的相位相同。所以各合成器件最好共用同一個(gè)激勵(lì)源，也就是說，功率合成的關(guān)鍵部件是功率分配與合成網(wǎng)絡(luò)。功率合成條件對(duì)于功率合成電路，我們并不陌生。在電子管中波發(fā)射機(jī)中，為了加大輸出功率，經(jīng)常采用的平衡推挽和單端并聯(lián)電路就是一種簡(jiǎn)單的功率合成電路，但這兩種電路都有共同的致命的弱點(diǎn)，就是當(dāng)一個(gè)放大器件失效后，會(huì)使其他放大器件的工作狀態(tài)發(fā)生急劇變化，甚至導(dǎo)致這些器件損壞。因此，并聯(lián)與推挽電路不是完美的功率合成電路。理想的功率合成電路，應(yīng)該具備下面3個(gè)條件。.功率相加條件當(dāng)N個(gè)同類型放大單元，它們的輸出振幅相等，每個(gè)放大單元供給匹配負(fù)載的功率都相同且為P,則負(fù)載上獲得的總功率應(yīng)NP,它是合成器的必要條件。.相互無關(guān)條件相互無關(guān)條件對(duì)于功率合成器非常重要，它要求合成器的各個(gè)單元電路彼此隔離，互不影響，也就是說，任何個(gè)單元發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)不影響其他單元的工作。它是功率合成器的充分條件。.功率減少條件除了上述兩個(gè)條件外，還希望，當(dāng)M個(gè)單元電路損壞時(shí)，負(fù)載上的功率最好只下降MP,實(shí)在做不到，也應(yīng)力求減少下降量。我們稱它為功率合成的次要條件。多個(gè)PA功率合成的方式不盡相同，有的采用最后一級(jí)多個(gè)PA一次合成方式，有的采用分級(jí)分組方式。從合成的是電壓還是電流，可分為電壓合成和電流合成。中波固態(tài)機(jī)經(jīng)常采用的方法有高頻變壓器電壓合成和網(wǎng)絡(luò)電流合成方式。二、一次功率合成網(wǎng)絡(luò)一次功率合成網(wǎng)絡(luò)多用于DAM發(fā)射機(jī)中。它由射頻推進(jìn)器射頻分配網(wǎng)絡(luò)、6個(gè)二進(jìn)制系數(shù)小臺(tái)階功放模塊，42個(gè)大臺(tái)階功放模塊，功率合成網(wǎng)絡(luò)及輸出網(wǎng)絡(luò)組成。射頻推進(jìn)器由3個(gè)與未級(jí)相同的功放模塊組成。T1也是個(gè)次功率合成網(wǎng)絡(luò)。其合成輸出電壓分成48組共96路幅度相等相位相同的信號(hào),分別供給橋式功放模塊的兩路激勵(lì)輸入，該電壓的幅度為23Vp-p,通過預(yù)制模塊的工作數(shù)目及調(diào)整模塊的工作電壓，可達(dá)到改變激勵(lì)信號(hào)的目的，為了保證每路信號(hào)的相位一致，96路從射頻分配板到合成母板的傳輸線均一樣長(zhǎng),48個(gè)功放模塊受控于調(diào)制編碼的12bit數(shù)字音頻信號(hào)而工作，其輸出功率經(jīng)T2一次合成，在負(fù)載R上可得到預(yù)設(shè)的載波功率和調(diào)制功率。三、功率合成電路的激勵(lì)功率合成電路各功放單元有同一個(gè)激勵(lì)源，該激勵(lì)源有激勵(lì)器和前級(jí)功放組成。激勵(lì)器的任務(wù)是產(chǎn)生射頻信號(hào)源，即發(fā)射機(jī)所需的工作載頻。它與電子管發(fā)射機(jī)的激勵(lì)器作用相同，只是其輸出信號(hào)通常是方波。前級(jí)功放通常采用工作于丁類的半橋或全橋電路，其工作原理與末級(jí)功率合成單元的橋式功放基本相同。由于前級(jí)功放的負(fù)載是末級(jí)各功放管的柵源輸入阻抗，因大功率MOSFET的柵源間輸入電容都達(dá)數(shù)千PF以上，因而前放的負(fù)載電容很大，有的機(jī)器采取予調(diào)諧后再加到前級(jí)功放的負(fù)載回路，有的機(jī)器直接引人負(fù)載回路后統(tǒng)一調(diào)諧。調(diào)諧回路和激勵(lì)分配之間用變壓器耦合，次級(jí)是由金屬支柱構(gòu)成的單匝線圈，分配電纜環(huán)繞其外引出。為保證各功放單元激勵(lì)電壓相位相同，各電纜應(yīng)嚴(yán)格等長(zhǎng)。為了防止各功放單元導(dǎo)通截止時(shí)刻不同，造成負(fù)載大小瞬間變化，激勵(lì)信號(hào)不用方波而用正弦波，這是因?yàn)楣虘B(tài)機(jī)的未級(jí)是由一系列橋式功放組成的，要求前級(jí)功放必須是一個(gè)能提供M個(gè)激勵(lì)信號(hào)的高頻功率分配器。為了達(dá)到同相激勵(lì)，各功率分配器輸出線路結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)稱，激勵(lì)電纜的長(zhǎng)度相同，盡管如此，各管子激勵(lì)信號(hào)微小的相位差總還是會(huì)有的，如果激勵(lì)信號(hào)是矩形波，則管子導(dǎo)通與截止就有先后，個(gè)別的管子承擔(dān)著整個(gè)負(fù)載，很容易被損壞，為了回避這個(gè)問題，我們把前級(jí)功放輸出的矩形波，通過調(diào)諧回路轉(zhuǎn)換成正弦波激勵(lì)信號(hào)，用正弦波去激勵(lì)各單元功放，這樣功放單元導(dǎo)通與截至的轉(zhuǎn)換就有一個(gè)短暫的放大狀態(tài)作為過渡，通過這一短暫的聚齊，一同轉(zhuǎn)換狀態(tài)，達(dá)到功放單元同時(shí)導(dǎo)通與截至的目的。四、輸出網(wǎng)絡(luò)固態(tài)中波發(fā)射機(jī)的輸出網(wǎng)絡(luò)由帶通濾波器知阻抗微調(diào)網(wǎng)絡(luò)組成。1帶通濾波器濾波器的階數(shù)越高，元件數(shù)越多，通帶更趨于平坦，阻滯衰減更陡，但調(diào)試難度越大。固態(tài)機(jī)通常選用二階帶通，實(shí)際調(diào)整時(shí)，是調(diào)L1使之和C1及合成變壓器的漏感及引線分布電抗發(fā)生串聯(lián)諧振，使功放單元的負(fù)載為純電阻。電路的阻抗變換關(guān)系為:Rb=(L3/(L2+Ll)Rc,其中Rc是天饋線經(jīng)阻抗微調(diào)后的等效阻抗，其值應(yīng)為50Q,Rb是各個(gè)功放單元的共同負(fù)載阻抗。2阻抗微調(diào)網(wǎng)絡(luò)由于固態(tài)機(jī)的功放單元都用場(chǎng)效應(yīng)管做放大器，當(dāng)天線遭到雷擊，塔基放電球打火時(shí)，天線阻抗被短路。此時(shí)，在功放電路里會(huì)產(chǎn)生過大的瞬態(tài)電壓、電流，因此容易把功放單元燒壞，所以，固態(tài)發(fā)射機(jī)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，不僅要匹配阻抗，把饋線阻抗進(jìn)一步調(diào)配到合成器的輸出阻抗。面且還要有抗雷擊作用。通過計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)如恰當(dāng)選擇元件值，控制負(fù)載短路時(shí)等效到功放側(cè)的等效負(fù)載阻抗的電抗性質(zhì)和阻抗值，就可以對(duì)功放模塊進(jìn)行有效的保護(hù)。具體的做法是在輸出網(wǎng)絡(luò)中把阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成相移-45。