第10章功率合成与分配

第十章功率合成与分配技术中国传媒大学信息工程学院2007年10月功率合成：通过功率合成网络，将多个高频功率放大器的输出功率相加；功率分配：通过功率分配网络，将高频信号功率均匀、互不影响地同时分配给多个独立的负载，使每个负载获得功率相等、相位相同（或相反）的信号。常用方法：传输线变压器、传输线定向耦合器和1/4波长传输线等。功率合成与分配是相互联系的，用作功率合成的晶体管，必须通过功率分配而得到激励信号。合成网络与分配网络的结构是相同的，其区别不过是信号源与负载相互调换了位置。第一节传输线变压器功率合成与分配特点：频带宽、结构简单、插入损耗小；用于VHF频段、小功率等级。一、功率合成网络1、A端和B端同时加入同频、同相、大小相等的高频信号流过RA的电流为IA，流过RB的电流为IB。由传输线理论可知，若终端匹配并忽略传输线本身的损耗时，流过两绕组的电流大小相等，但相对于同名端而言方向相反，即一个流入同名端，一个流出同名端。传输线变压器功率合成网络等效电路∵uSA=uSB=u，RA=RB=R，IA=IB=I，UA=u-IARA=u-IR，UB=u-IBRB=u-IR，∴UA=UB，UAB=0，I2=0，I1=IA=IB=I，RD上得到的功率PD=0在匹配的状态下（RC=R/2），每一信号源送出的功率为I2R（I为有效值），负载RC得到的功率为PC=（2I1）2RC=（2I）2R/2=2I2R，为A、B两点注入功率之和。C点对地电压：UC=2IR/2=IR∵uI=2I2R，u=2IR∴UA=UB=u-IR=2IR-IR=IR=UC，说明A、B、C三点同电位。2、A端和B端同时加入同频、同相、大小不等的高频信号变压器两绕组的匝数相等，分析时可认为两绕组的电压大小相等，电流相等（相对于同名端而言方向相反）。根据等效电路图可得到以下关系（注意：矢量关系）：IA=I1+I2（1-1）IB=I1-I2，（1-2）UA=UAC+2I1RC=UAC+I1R（1-3）UB=UBC+2I1RC=-UCB+I1R（1-4）将式（1-3）和（1-4）相加，得UA+UB=2I1R（1-5）∴I1=（UA+UB）/2R（1-6）而由RD支路可知：I2=（UA-UB）/2R（1-7）功率关系：设两信号源对外供出的功率分别为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）+（1-8）PPBA在RD上得到的功率PD：PD（1-9）BABABABABADPPPPRUURUURRUURI222222222由（1-8）和（1-9）可知，当UA=UB时，PA=PB，PC=PA+PB=2P，PD=0当信号源的幅度不相等，例如令PA=2PB，尽管相差2倍，经计算可知，PC=2.9PB(占全部功率的96.67%),PD=0.1PB(占全部功率的3.33%)，负载仍能得到绝大部分功率。在PB=0（或PA=0）的特殊情况下，则，PC=0.5PA，PD=0.5PA，即RC和RD各得到一半功率。这种情况代表利用两个晶体管进行同相功率合成时，其中一管损坏，其输出功率为0。另一管的输出功率只有一半送给负载PC，另一半消耗在RD上，负载上得到的功率只有双管工作时的1/4。3、A端和B端同时加入同频、幅度相同、相位不同的高频信号设两信号源对外供出的功率分别为PA=U2A/R和PB=U2B/R两个高频信号之间的相位差为θ。RC上得到的功率PC：PC（1-10）RD上得到的功率PD：PD(1-11)cos2BABAPPPPcos2BABAPPPP若θ=300,则PC=PB+0.89PB=1.89PB(占94.5%)PD=PB+0.89PB=0.11PB(占5.5%)特例：θ=1800（即反相激励），则根据（1-10）和(1-11)PC（1-12）PD（1-13）此时，信号功率将在RD上合成，如PA=PB，RC上得到的功率为0。BABAPPPP2BABAPPPP2二、功率分配网络（一）、同相功率分配同相功率分配网络（RC为信号源内阻、RA和RB可视为两晶体管放大器的输入阻抗，RD是平衡电阻）忽略RC后的等效电路在匹配状态下，得到下列关系：IA=I1-I2（1-14）IB=I1+I2，（1-15）∵UAC+U=IARA及UCB+IBRB=U得UAC=IARA-U（1-16）UCB=-IBRB+U（1-17）（1-16）与（1-17）相加：UAC+UCB=UAB=IARA-IBRB=I2RD（1-18）（1-16）与（1-17）相减：IARA-2U+IBRB=0(UAC=UCB)（1-19）将式（1-16）—（1-19）联立，解得四个电流分别为IA=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=Z0,为传输线的特性阻抗)，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)I2=(n-1)U/(3n+1)R(1-27)根据式(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=(1/2)·(n-1)2/(n+1)2·PB(1-31)当n=1时，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，经过计算可知:RA和RB得到的功率分别占总功率的45.8%和51.4%,总功率的2.8%消耗在平衡电阻RD上。（二）、反相功率分配反相功率分配网络及等效电路如图这里，内阻为RD的信号源接在A、B之间，，RC为平衡电阻。与同相功率分配网络分析相似，可以得到IA、IB、I1和I2的表达式。如果RA=RB=R,RC=R/2时，PA=PB（二者的高频电压相位相反），PC=0。第二节带状线定向耦合器功率合成与分配一、3dB带状线定向耦合器带状线定向耦合器是一个四端口器件，线长为中心频率所对应的波长的1/4，各端口都接以匹配负载。若信号源由端口1接入，则端口2、4有输出，而3端没有输出。带状线定向耦合器结构示意图带状线定向耦合器有如下特性：（1）、若信号源由端口1接入,出端2是通过电磁耦合而输出能量，称为耦合端；4端是靠传导而输出能量，称为直通端；3端无能量输出，称为隔离端。（2）、2端输出电压与输入端1输入电压同相，电压大小之比称为电压耦合系数K0=|U2/U1|，，其功率与输入功率之比，称为功率耦合系数C0=K20=|U2/U1|2，通常用dB表示为：C0=10lg|U2/U1|2(2-2)根据带状线理论，即：P2=0.5P1,用dB表示的耦合度：20lg|U2/U1|=10lg|U2/U1|2=-3dB（2-3）220K5.020K（3）、输出端4的U4与U1的关系：U4（2-4）P4/P1=|U4/U1|2=0.5,10lgP4/P1=-3dB(2-6)90122jeU(4)、2端的输出功率与隔离端3的输出功率之比，称为定向耦合器的定向系数，通常用dB表示为：D=10lg|U2/U3|2=10lgP2/P3dB(2-7)在理想情况下，U3=0，D为无穷大。实用中一般对D提出一个起码的要求，例如要求大于35dB。（5）、电压驻波比（VSWR）：电压驻波比的定义为：VSWR=（入射波电压+反射波电压）/（入射波电压-反射波电压）(2-8)取决于各端的匹配程度，一般要求小于1.1(相当于反射电压小于0.0476入射电压)。二、3dB带状线定向耦合器功率合成与分配（一）、功率分配3dB定向耦合器功率分配将输入信号U1（振幅值）加于端口1，各端口功率关系如下：P1=U12/2RP2==(1/2)P1P3=0P4==(1/2)P12端和4端各分得一半的输入功率,实现了功率分配(但电压相位差900)RU22221RU22221（二）功率合成将两个相位差900的信号源分别加在3dB定向耦合器的两个相互隔离端,例如2端和4端,则可实现在3端的功率合成。3dB定向耦合器功率合成设,,对于u2而言,1端为耦合端,得到同相的耦合电压U1而3端为直通端,得到落后900的直通电压U390222jeU0222jeU022jeUu9044jeUu对于u4而言,3端为耦合端,得到同相的耦合电压U3”=U4，而1端为直通端,得到落后900的直通电压U”1=U422ej90022ej1800因此,在两个电源的共同作用下,当U2=U4=U时：1端的输出电压为U1=U1+U”1=U2+U4=0，3端的输出电压为U3=U3+U”3=U2+U4=U。22ej0022ej18002222ej900ej9002ej900端口2和4输入功率分别为：P2=(1/2)U2/R，P4=(1/2)U2/R1端输出功率为P1=0；3端输出功率为P3=(1/2)（U）2/R=2P2=2P4当U2和U4相位差900，但U2≠U4时，会有少量的功率传到1端的吸收电阻而被消耗掉。第三节调频与电视广播用双工器与多工器调频广播或电视广播发射机，可借助双工器或多工器，实现不同频率的信号功率的合成，共用一条馈线和一套天线。一、等臂3dB桥双工器和多工器（一）、等臂3dB桥滤波式双工器分别将两个3dB耦合器和滤波器对臂连接成桥式，构成桥式双工器。滤波器可分为带阻式（陷波式）和带通式两种。1、等臂3dB桥带阻式双工器等臂3dB桥带阻式双工器构成图像信号由3dB定向耦合器I送入，经耦合器I进行功率分配（两路电压相差900），两个带阻（对伴音而言）滤波器对图像信号来说无影响，可以畅通无阻地通过，两路相差900的图像电压，通过耦合器II，在天线端实现功率合成。伴音信号由3dB定向耦合器II送入，经进行功率分配，两路电压相差900，沿着等臂长向两个带阻(对伴音而言)滤波器传去，形成全反射后又返回耦合器II，也在天线端进行功率合成。带阻滤波器并非理想，漏过的伴音信号送入耦合器I，在吸收电阻R0上合成而消耗掉，而不会送到图像发射机。等臂3dB桥带阻式双工器既实现了在天线上的功率合成，又使图像发射机和伴音发射机相互隔离。2、等臂3dB桥带通式双工器等臂3dB桥带通式双工器构成与等臂3dB桥带阻式双工器不同，一是将图像与伴音信号的位置相互对调，二是两个滤波器对伴音信号是带通（对图像来说是带阻）。分析方法同上，在正常工作情况下，图像与伴音信号在天线合成。3、实用的电视广播双工器有效抑制fv–4.43MHz（fv为图像载波频率）频率成分，降低对邻频道的干扰，是实际的图像与伴音双工器要考虑的问题。实用的电视广播双工器组成部分：3dB定向耦合器I和II，两个伴音反射器，两个（fv–4.43MHz）频率成分反射器，一个吸收电阻R0。工作原理如下：图像信号：由3dB定向耦合器I的1端输入，由2端和4端输出两路差相900的信号。反射元件对图像信号呈并联谐振，故无反射而直接送到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线，在2端相互抵消，不影响伴音发射机。伴音信号：由3dB定向耦合器II的2端输入，经3dB定向耦合器II的1端和3端输出两路差相900的信号，由于伴音反射器对伴音信号呈短路状态，两路信号在此形成全反射，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