高頻課件功率合成技術(shù)

功率合成技術(shù)3.2功率合成原理3.2.1傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)1.魔T型混合網(wǎng)絡(luò)

魔T型混合網(wǎng)絡(luò)如圖3-6所示。它有四個(gè)端：Σ端（和端）、Δ端（差端）、A端和B端。在各端的阻抗都匹配的條件下，魔T型混合網(wǎng)絡(luò)具有以下特性：(1)當(dāng)輸入功率加至Σ端時(shí)，在A端和B端得到同相等分的功率，而Δ端沒有功率獲得，也就是說Δ端與Σ隔離。2021/10/10星期日1功率合成技術(shù)AA?

0°180°

B(a)0°0°∑?

0°180°

B(b)0°0°∑圖3-6魔T型混合網(wǎng)絡(luò)2021/10/10星期日2功率合成技術(shù)

(2)當(dāng)輸入功率加至Δ端時(shí)，在A端和B端得到反相等分的功率，這時(shí)Σ端也沒有功率獲得，即Σ端與Δ端隔離。(3)當(dāng)輸入功率加至A端時(shí)，在Σ端和Δ端得到同相等分的功率，而B端沒有功率獲得，即B端與A端隔離。(4)當(dāng)輸入功率加至B端時(shí)，在Σ端和Δ端得到反相等分的功率，這時(shí)A端沒有功率獲得，即A端與B端隔離。魔T型混合網(wǎng)絡(luò)的上述性能，可以用作同相或反相功率合成及功率分配。2021/10/10星期日3&&&'&'功率合成技術(shù)

當(dāng)A端和B端同時(shí)激勵(lì)，則Σ端的輸出電流為IA+IB，而Δ端的輸出電流為IA?IB。若A端和B端的激勵(lì)信號(hào)幅度相等且相位相同，則Σ端的電流相加，Δ端的電流相抵消。A端和B端的激勵(lì)功率在Σ端合成輸出，而Δ端輸出功率為零，這種性能可用作同相功率合成。若A端和B端的激勵(lì)信號(hào)幅度相等且相位相反，則Δ端的電流相加，而Σ端的電流相抵消，A端和B端的激勵(lì)功率在Δ端合成輸出，而Σ端輸出功率為零，這種性能可用作反相功率合成。

當(dāng)在Σ端激勵(lì)功率時(shí)，可在A端和B端同時(shí)得到幅度相等且相位相同的輸出功率，實(shí)現(xiàn)同相功率分配；當(dāng)在Δ端激勵(lì)功率時(shí)，可在A端和B端同時(shí)得到幅度相等且相位相反的輸出功率，實(shí)現(xiàn)反相功率分配。2021/10/10星期日4功率合成技術(shù)2.傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)分析用傳輸線變壓器實(shí)現(xiàn)的魔T型混合網(wǎng)絡(luò)如圖3-7所示。圖中，A、B端就是魔T型網(wǎng)絡(luò)的A端和B端；C端為魔T型網(wǎng)絡(luò)的Σ端；D端為魔T型網(wǎng)絡(luò)的Δ端。A、B、C端為單端輸入，D端為雙端輸入。各端所接電阻就是匹配時(shí)各端所要求的負(fù)載電阻或信號(hào)源內(nèi)阻。

下面我們分析各端激勵(lì)功率時(shí)的情況，說明它具有魔T型混合網(wǎng)絡(luò)的特性。由傳輸線變壓器的原理可知，傳輸線變壓器的兩個(gè)繞組的電壓相等，且相對(duì)于同名端的極性相同，流過兩個(gè)繞組的電流大小相等、方向相反。2021/10/10星期日5&&功率合成技術(shù)RACDIIR/22RRBD圖3-7用傳輸線變壓器實(shí)現(xiàn)的魔T型混合網(wǎng)絡(luò)2021/10/10星期日6&&&&&&&&&&&功率合成技術(shù) 1)C端（Σ端）激勵(lì)功率 C端激勵(lì)功率時(shí)傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)如圖3-8所示，由圖可得：RDID=RAIA?RBIBI=IA+IDI=IB?ID整理后得：ID=

(RA?RB)IRA+RB+RD(3-2-1)2021/10/10星期日7&&&&&&&功率合成技術(shù)AIADRAI

ICICRC＋I(xiàn)D

RDRB

US－B

IB圖3-8C端激勵(lì)混合網(wǎng)絡(luò)D2021/10/10星期日8

功率合成技術(shù) 由上式可知，當(dāng)RA=RB=R時(shí)，ID=0，則IA+IB=I=1/2IC，表明D端（Δ端）沒有獲得功率，而A端和B端獲得同樣的功率，即C端激勵(lì)的功率在A端和B端等分，并且同相。 當(dāng)取信號(hào)源內(nèi)阻RC=RA∥RB=R/2時(shí)，RA和RB上流過的電流及獲得的功率分別為：

IA

=IB

=1/2IC

=US/2R

RA=PB=US2/4R(3-2-2)2021/10/10星期日9&&&&&&D

功率合成技術(shù) 2)D端（Δ端）激勵(lì)功率D端激勵(lì)功率時(shí)傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)如圖3-9所示，由圖可得：IC=(RA?RB)IA

RB+2RC(3-2-3)由上式可知，當(dāng)RA=RB=R時(shí)，IC=0，則IA=IB=I，表明C端（Σ端）沒有獲得功率，而A端和B端獲得同樣的功率。按圖(3-9)中所標(biāo)方向，A端和B端電流方向相反。2021/10/10星期日10&&&&&&&功率合成技術(shù)AIADRA

RBBIBI

ICICRC

DID

RD

＋

US

－圖3-9D端激勵(lì)混合網(wǎng)絡(luò)2021/10/10星期日11&&&&&&&&&&&&

功率合成技術(shù) 3)A端、B端同時(shí)激勵(lì)同相功率 如圖3-10(a)所示，當(dāng)A端、B端同時(shí)激勵(lì)同相功率時(shí)，

IA=IB=Ii,UA=UB=Ui,A點(diǎn)、B點(diǎn)電流滿足：I=IA?ID,I=IB+ID,則：(3-2-4)

&&&&&&&

I=1/2(IA+IB)=Ii

ID=1/2(IA?IB)=0

2021/10/10星期日12&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&功率合成技術(shù)IAADIAAD

RA

＋US

＋UAI

ICIRCC

＋UCRDID

＋

UD

RA

＋US

＋UAI

ICIRCC

＋UCRDID

＋

UD－

－IBB－－－

－IBB－－

RB

＋US

－

＋UB

－D

RB

－US

＋

－UB

＋D(a)(b)圖3-10A、B端同時(shí)激勵(lì)混合網(wǎng)絡(luò) (a)同相激勵(lì)；(b)反相激勵(lì)2021/10/10星期日13&&&&&功率合成技術(shù) 可見，D端輸出為零。C端流過電阻RC的電流

IC=2I=IA+IB=2Ii壓，所以，C端的電壓為。由于變壓器兩繞組有相同的電&&&&

UC=1/2(UA+UB)=Ui

故C端的功率為

PC=UCIC=Ui(IA+IB)=2UiIi=PA+PB(3-2-5) (3-2-6)2021/10/10星期日14&&&&&&&&&&&&

&&&&&&&功率合成技術(shù) 4)A端、B端同時(shí)激勵(lì)反相功率 如圖3-10(b)所示，當(dāng)A端、B端同時(shí)激勵(lì)反相功率時(shí)，IA=IB=Ii,UA=UB=Ui,A點(diǎn)、B點(diǎn)電流滿足：

I=IA?ID,I=ID?IB,電壓、電流反相。)那么有(注意：圖3-10(b)與圖3-10(a)的B點(diǎn)(3-2-7)

I=1/2(IA

?IB

)=0

I=1/2(IA+IB

)=Ii2021/10/10星期日15&&&&功率合成技術(shù)可見，C端輸出為零。D端流過電阻RD的電流UD=UA+UB=2Ui故D端的功率為：PD=UDID=(UA+UB)ID=2UiIi=PA+PB2021/10/10星期日16&&&&&&&&&&

&&&&&&

功率合成技術(shù)3.2.2同相功率合成 如圖3-10(a)所示，設(shè)傳輸線變壓器的兩個(gè)繞組上有相同的電壓，所以可得到：(3-2-9) (3-2-10)

UA=2UC+UD=2RCIC+RDID

UB=2UC?UD=2RCIC?RDID將IC=IA+IB及式(3-2-4)帶入，得

UA=1/2(4RC+RD)IA+1/2(4RC?RD)IB

U=1/2(4RC?RD)IA+1/2(4RC+RD)IB

2021/10/10星期日17功率合成技術(shù) 上式表明，若RD=4RC

(3-2-11)則:A端輸入電壓僅與A端電流有關(guān)，而與B端無關(guān)；B端輸入電壓僅與B端電流有關(guān)，而與A端無關(guān)。每個(gè)功率放大器的等效負(fù)載均為4RC或RD，即兩路功率放大器的等效負(fù)載及相應(yīng)的輸出功率互不影響。我們把式(3-2-11)稱為A端與B端的隔離條件，RD稱為同相功率合成時(shí)的匹配電阻或假負(fù)載。在極限情況下，有一路功率放大器損壞時(shí)，另一路功率放大器仍能正常工作，其輸出功率將均分到RC和RD上，這時(shí)混合網(wǎng)絡(luò)輸出的總功率下降為正常時(shí)的四分之一。2021/10/10星期日18功率合成技術(shù)

UCC

22100?激勵(lì)Tr14:1Tr31.11:40.033μTr5Tr250?負(fù)載4001.10.033μ2004:1Tr41:4Tr6

22圖3-11典型同相功率合成電路2021/10/10星期日19功率合成技術(shù)3.2.3反相功率合成

由式(3-2-8)可知，當(dāng)A端、B端同時(shí)激勵(lì)反相功率時(shí)，傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)在D端有合成功率輸出。圖3-10(b)所示輸入為單端信號(hào)，輸出為雙端信號(hào)。當(dāng)輸出也需要為單端信號(hào)時(shí)，可在輸出D端接1∶1平衡—不平衡轉(zhuǎn)換傳輸線變壓器，如圖3-12所示。與同相功率合成類似，反相功率合成時(shí)合成的兩路信號(hào)也互不影響。2021/10/10星期日20&&&&&&&&&&&&功率合成技術(shù)IAAD

RA

＋US

－

＋UA

－

IBBI

ICIRCC

＋ ＋UCUD

－ －IDRD

RB

－US

＋

－UB

＋

D圖3-12單端輸出反相功率合成2021/10/10星期日21

功率合成技術(shù) 由圖3-12可以得到：(3-2-12) (3-2-13)&&&&&UA

=1/2UD

+UC

=1/2RDID

+RCIC&&&&&UB=1/2UD

?UC=1/2RDID

?RCIC

&&

&&

&

&

將式(3-2-7)帶入，得

UA=（1/4RD+RC）

IA+（1/4RD?RC）

IB

UB=（1/4RD?RC）IA+（1/4RD+RC）IB2021/10/10星期日22功率合成技術(shù)上式表明，若RC=RD

4(3-2-14)則:A端輸入電壓僅與A端電流有關(guān)，與B端無關(guān)；B端輸入電壓僅與B端電流有關(guān)，而與A端無關(guān)。每個(gè)功率放大器的等效負(fù)載均為RD/2或2RC，即兩路功率放大器的等效負(fù)載及相應(yīng)的輸出功率互不影響。我們把式(3-2-14)稱為A端與B端隔離條件，RC稱為反相功率合成時(shí)的匹配電阻或假負(fù)載。在極限情況下，有一路功率放大器損壞時(shí)，另一路功率放大器仍能正常工作，其輸出功率將均分到RD和RC上，這時(shí)混合網(wǎng)絡(luò)輸出的總功率同樣下降為正常時(shí)的四分之一。2021/10/10星期日23功率合成技術(shù)

圖3-13給出了一個(gè)典型的反相功率合成電路。圖中，Tr1與Tr2為傳輸線變壓器魔T型混合網(wǎng)絡(luò)。Tr1為功率分配網(wǎng)絡(luò)，它將輸入功率反相平均分配給兩個(gè)放大器的輸入端，從而形成反相的激勵(lì)功率。Tr2為功率合成網(wǎng)絡(luò)，它將兩個(gè)放大器的輸出進(jìn)行反相功率合成。兩個(gè)6Ω電阻分別是Tr1、Tr2的匹配電阻，用以吸收不平衡功率。Tr3、Tr4為4∶1阻抗變換器，用以完成阻抗匹配作用。Tr5、Tr6為1∶1平衡—不平衡轉(zhuǎn)換傳輸線變壓器,用來實(shí)現(xiàn)單端變雙端、雙端變單端的功能。2021/10/10星期日24功率合成技術(shù)

UCC25?激激Tr5Tr14:16Tr3106Tr2Tr625?負(fù)負(fù)104:1

Tr4圖3-13反相功率合成2021/10/10星期日25功率合成技術(shù)與同相功率合成相比，反相功率合成具有非線性失真小的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榉聪喙β屎铣蓮摩ざ溯敵鰞陕沸盘?hào)之差，可以抵消非線性失真的偶次諧波。偶次諧波將在Σ端出現(xiàn)，由Σ端負(fù)載消耗偶次諧波功率。2021/10/10星期日26功率合成技術(shù)3.3功率分配原理3.3.1功率分配器

在傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)中的C端激勵(lì)功率時(shí)，可在A端和B端獲得大小相等、相位相同的等分功率；在傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)D端激勵(lì)功率時(shí)，則可在A端和B端獲得大小相等、相位相反的等分功率。我們稱它們?yōu)楣β识峙淦?。C端激勵(lì)時(shí)為同相功率二分配器；D端激勵(lì)時(shí)為反相功率二分配器。同相功率二分配器等效電路常畫成如圖3-14所示的自耦變壓器形式，其工作原理與C端激勵(lì)的傳輸線變壓器混合網(wǎng)絡(luò)(圖3-8)相同。下面分析其兩負(fù)載端的相互隔離條件。2021/10/10星期日27&&&&&功率合成技術(shù)

IAISIDRA

R*RS

＋US

－

IB圖3-14二分配器RB2021/10/10星期日28&&&&2

&&&

&&&功率合成技術(shù) 二分配器正常工作時(shí)，RA=RB=RL，RS=RL/2，由式(3-2-2)得：IA=IB=

US2RL,PA=PB=

US4RL

設(shè)RA增大，RB仍保持不變，即RA>RB，RB=RL，則輸出電流滿足：(3-3-1)

IA=1/2IS?ID

IB=1/2IS+ID 2021/10/10星期日29&&&&

&功率合成技術(shù)且有：(3-3-2)式中：R*為D端的匹配電阻。 將式(3-3-1)代入式(3-3-2)中，則有當(dāng)(3-3-3)(3-3-4)US=RSIS+1/2R*ID+RBIB

US=(RB+2RS)IB+(1/2R*?2RS)ID

R*=4RS2021/10/10星期日30&&

&USUS

&2US2

功率合成技術(shù)時(shí)，B端輸出電流，RB上的電流和獲得的功率分別為(3-3-5)

可見，當(dāng)D端接匹配電阻R*=4RS=2RL時(shí)，就可以保證A端負(fù)載變化不影響B(tài)端正常輸出功率。同理可得，在滿足式(3-3-4)的情況下，B端負(fù)載變化也不影響A端的正常輸出功率。我們稱式(3-3-4)為二分配器負(fù)載的相互隔離條件。

IB=RB+2RS=2RL

PB=IBRB=

4RL2021/10/10星期日31&功率合成技術(shù)R*/2R*RLRL

RS

＋US

－

R*圖3-15四分配器RLRL2021/10/10星期日32功率合成技術(shù)3.3.2定向耦合器

定向耦合器也是一種功率分配網(wǎng)絡(luò)，用于從功率的主要傳輸方向中分支功率，是功率合成與功率分配中相當(dāng)重要的部件之一。在無線電通信設(shè)備中，定向耦合器常用來取樣射頻線路信號(hào)，以檢測(cè)線路的工作狀態(tài)。定向耦合器也可在功率分配中用作功率分支作用，即從功率主要傳輸方向上分支部分功率，輸送給各分支用戶，故也可稱為功率分支器。2021/10/10星期日33功率合成技術(shù)

定向耦合器的功能框圖如圖3-16所示，它有4個(gè)端口，A端、B端為主線輸入、輸出端，C端、D端為耦合端、隔離端。當(dāng)A端輸入信號(hào)時(shí)，B端為主線輸出端，輸出幾乎與輸入相同的功率；C端為耦合端，輸出很小一部分功率；D端為隔離端，應(yīng)沒有功率輸出。當(dāng)信號(hào)反過來傳輸時(shí)，即B端為主線輸入端輸入信號(hào)時(shí)，則A端為主線輸出端，D端為耦合端，而C端為隔離端。一般要求主線衰減越小越好，隔離度越大越好，耦合度應(yīng)根據(jù)具體使用要求而定。2021/10/10星期日34功率合成技術(shù)

DA

C圖3-16定向耦合器功能框圖B2021/10/10星期日35&&&&&&

功率合成技術(shù) 圖3-17(a)為由傳輸線變壓器構(gòu)成的定向耦合器原理電路。輸入信號(hào)加在A端，B端為主線輸出端，理想情況下，A、B兩端的電流相等，設(shè)它們?yōu)镮AB則有：

UA=UB=IAB圖中，Tr1為電流變壓器，變換比為1∶n(n>1)，即在次級(jí)產(chǎn)生感應(yīng)電流IAB/n，可將它視為恒流源；Tr2為電壓變壓器，變換比為m∶1(m>1)，即在次級(jí)產(chǎn)生感應(yīng)電壓UA/m，可將它視為恒壓源。其等效電路如圖3-17(b)所示。2021/10/10星期日36＋－&&&&&&&&&功率合成技術(shù)

RA

＋US

－IAB

A

＋UA

－IABIAB/nTr1Tr2BIABRBIAB/n

RCRDRCC＋UA/m－DRDUA/m

(a)圖3-17傳輸線變壓器定向耦合器 (a)原理電路；(b)等效電路(b)2021/10/10星期日37

&&&&&+?

&

功率合成技術(shù)由疊加定理可求得C端、D端的電壓分別為：

UC=

UD=

RCRDIABRC+RDn RCRDIAB

RC+RDn

RCUARC+RDm RCUA

RC+RDm(3-3-7)選擇電路參數(shù)：

m=n

RA=RB=RC=RD=R(3-3-8)2021/10/10星期日38

&UA&&&&&

&

功率合成技術(shù)并將式(3-3-6)代入式(3-3-7)中，得：

UC=

UD=

12n

12n(RIAB+UA)=

n(RIAB?UA)=0(3-3-9)可見，C端為耦合端，D端為隔離端。 同理可得，當(dāng)B端激勵(lì)信號(hào)時(shí)，A端為主線輸出端，D端為耦合端，C端為隔離端。將定向耦合器串接在無線通信射頻線路中，它可同時(shí)取樣入射波和反射波，常用來檢測(cè)正、反向功率、電壓駐波比等。2021/10/10星期日39功率合成技術(shù)3.4功率合成器方案及保護(hù)

由圖3-11、圖3-13可知，由傳輸線變壓器魔T型混合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的基本功率合成器，可由圖3-18所示的原理框圖組成。圖中：A為放大單元，其中每個(gè)放大單元的放大量相同；H為功率合成與功率分配網(wǎng)絡(luò)；R為匹配電阻。由圖中看到，輸入5W信號(hào)經(jīng)第一級(jí)放大器放大到10W后，由分配器平分為兩路5W信號(hào)，送第二級(jí)放大器放大，兩路信號(hào)被放大到10W后，同時(shí)加到合成器，合成輸出20W信號(hào)。可見，通過功率合成將多個(gè)輸出功率不太大的放大器組合起來，可獲得單個(gè)放大器所達(dá)不到的大輸出功率。以圖3-18為基本單元，可以構(gòu)成有更大輸出功率的功率合成器。2021/10/10星期日40功率合成技術(shù)5WA10W5WA10WH1RRH220W5WA10W圖3-18功率合成器原理框圖2021/10/10星期日41功率合成技術(shù)如圖3-19所示為采用兩路如圖3-18所示的基本功率合成單元組成的120W功率合成器原理框圖。輸入的15W功率首先被放大到30W，然后由功率分配器將這30W功率分成相等的兩個(gè)15W，繼續(xù)在兩組放大器中分別進(jìn)行放大，放大到30W后，又經(jīng)分配器分為兩路，各自再經(jīng)放大后，兩次合成輸出，最后在負(fù)載上獲得120W的輸出功率。2021/10/10星期日42功率合成技術(shù)15WA30W15WA30WHRRH60W15WA30WHR15WA30WRH120W15WA30W15WA3