功率合成和分配

footer第一章宽带放大器光学与信息工程学院通信工程系USST宽带高频功率放大器(非谐振高频功率放大器)：要求在很宽的波段范围内对载波或已调波信号尽可能一致的线性放大。(达到几百甚至上千MHz)用于多频道通信系统及频段通信系统中。传输线变压器扩大放大器的工作频率功率合成器本章重点传输线变压器阻抗变换功率合成、分配USST宽带高频功率放大电路采用非调谐宽带网络作为匹配网络,能在很宽的频带范围内获得线性放大。常用的宽带匹配网络是传输线变压器,它可使功放的最高频率扩展到几百兆赫甚至上千兆赫,并能同时覆盖几个倍频程的频带宽度。由于无选频滤波性能,故宽带高频功放只能工作在非线性失真较小的甲类或乙类状态,效率较低。所以,宽带高频功放是以牺牲效率来换取工作频带的加宽USST1.1传输线原理传输线传输线的电路分析方法集总参数电路分布参数电路长线，l，元件参数具有分布特性–电阻、电感、电容、漏电导信号传输具有延迟–分布电容和分布电导影响–电磁波传播的延迟效应USST1.1传输线均匀传输线xRΔ0xLΔ0)(x,tu)(x,ti),Δ(txxu+)Δ(x,txixRΔ0xLΔ0xCΔ0xGΔ0-+-xjxxjxxxeeAeeAeAeAxU21)(21:经过单位距离幅度衰减的量值，称衰减常数:经过单位距离相位滞后的量值，称相位常数USST1.1传输线构成传输线的导体是理想导体R0=0，线间的介质是理想介质G0=0，这种传输线称为无损耗传输线。工作频率足够高，R0L0，G0C0，实际工作的传输线和无损耗线很多结论相近。USST1.1传输线正弦激励下的稳态解xxxxeIeIxIeUeUxUjjjj)()(,特性阻抗Ω00CCLIUIUZUSST1.1传输线无损耗均匀传输线的入端阻抗)()()(xIxUxZin22IUZLπ2tanjπ2tanj)(CCCnlZZlZZZlZLLi0x’lbaZinZLa,b端的入端阻抗xxxxeIeIxIeUeUxUjjjj)()(,USST1.1传输线不同负载ZL下入端阻抗的变化规律终端负载等于特性阻抗时，也即ZL=ZCCZZinπ2tanjπ2tanj)(CCCnlZZlZZZlZLLi特点：沿线各点入端阻抗等于特性阻抗，与线长无关，这种情况称为传输线匹配或阻抗匹配。USSTπ2tanjπ2tanj)(CCCnlZZlZZZlZLLi1.1传输线终端短路时的入端阻抗特点：入端阻抗具有纯电抗性质0LZXlZZijπ2tanjCn40l24lX00X感性容性USST1.1传输线终端开路时的入端阻抗特点入端阻抗具有纯电抗性质LZXlλZZijπjCn2cot40l24l0XX0感性容性π2tanjπ2tanj)(CCCnlZZlZZZlZLLiUSST1.1传输线/4线段的入端阻抗当l＝/4或l＝(2n－1)/4时lπ2tanlZZlZZZZLLiπ2tanjπ2tanjCCCLZZ2C特点作成/4阻抗变换器，达到传输线阻抗匹配。USST1.1传输线－无损耗线ZL=R,接入/4无损线C21Cn/ZRZZi令：C1CRZZZCRZCR/4ZC1ZinUSST1.1传输线例：使用/4阻抗变换器使图示负载和传输线匹配，求/4线的特性阻抗。Ω5021ABii//RRZΩ10021iiRRΩ8064100111CiLRRZΩ5025100222CiLRRZARL164/4ZC=50RL225ZC2ZC1/4B解：匹配时：USST1.1传输线反射系数定义反射系数为沿线任意点处反射波电压相量与入射波电压相量之比。CLCLZZZZn全反射纯电抗，开路短路当：1n)XjZ)Z),0ZLLL(((匹配0nZZCL在通信线路和设备连接时，均要求阻抗匹配，避免信号反射，而引起的频率失真。终端反射系数：频率失真（线性失真）：幅度失真；相位失真非线性失真：产生新的频率分量USST1.1传输线－无损耗线xjxjeZUxIeUxUC)()(特点①沿线电压、电流振幅不变；②沿线电压、电流同相位；③电源发出的能量全部被负载吸收，传输效率最高；④沿线的入端阻抗为：C)()(ZzIzUZi传输线上只有入射波—行波状态USST1.2传输线变压器宽频带特性普通变压器上、下限频率的扩展方法是相互制约的。扩展下限频率,就需要增大初级线圈电感量,使其在低频段也能取得较大的输入阻抗,如采用高导磁率的高频磁芯和增加初级线圈的匝数,但这样做将使变压器的漏感和分布电容增大,降低了上限频率；为了扩展上限频率,就需要减小漏感和分布电容,减小高频功耗,如采用低导磁率的高频磁芯和减少线圈的匝数,但这样做又会使下限频率提高。传输线变压器：基于传输线原理和变压器原理的一种耦合元件。它是将传输线(双绞线、带状线或同轴线等)绕在高导磁率的高频磁芯上构成的,以传输线方式与变压器方式同时进行能量传输USST1.2传输线变压器结构工作原理端口电压相等流过传输线电流大小相等，方向相反1324USST1.2传输线变压器传输线方式工作信号从①、③端输入,②、④端输出理想情况：传输线无损耗、阻抗匹配→传输线的工作频带无限宽实际：RL尽可能接近ZC，传输线长度l与工作波长相比足够小(l＜min／8)时1∶1变压器上限频率可达到很高RL421Rs＋－sU3(a)＋－sURs1234＋－1U2U＋－RL(b)＋－sURs＋－1U＋－2U1234RL13＋－1U24＋－2U(c)(d)RL421Rs＋－sU3(a)＋－sURs1234＋－1U2U＋－RL(b)＋－sURs＋－1U＋－2U1234RL13＋－1U24＋－2U(c)(d)USST1.2传输线变压器变压器工作方式当工作在低频段时,信号波长远大于传输线长度,分布参数很小,可以忽略,变压器方式起主要作用信号从①、②端输入,③、④端输出1∶1的反相变压器（输入、输出线圈长度相同）采样高导磁率的磁芯,虽传输线较短，也能获得足够大的初级电感量,保证了传输线变压器的低频特性较好RL421Rs＋－sU3(a)＋－sURs1234＋－1U2U＋－RL(b)＋－sURs＋－1U＋－2U1234RL13＋－1U24＋－2U(c)(d)RL421Rs＋－sU3(a)＋－sURs1234＋－1U2U＋－RL(b)＋－sURs＋－1U＋－2U1234RL13＋－1U24＋－2U(c)(d)USST1.2传输线变压器平衡输入-不平衡输出不平衡输入-平衡输出USST1.2传输线变压器阻抗变换特性只能完成某些特定阻抗比的变换，如４:1、9:1、1６:1，或者1:４、1:9、1:164∶1传输线阻抗变换器无耗且传输线长度很短输入、输出端电压相等，流过的电流相等＋－sU＋－U＋－U1234II＋－URsRLI2LciLLcRZIUZRIRIIUZ42222当负载RL为特性阻抗Zc的1/2时,此传输线变压器可以实现4∶1的阻抗变换。Zi是指①、④端之间的等效阻抗（输入对地的阻抗）。USST1.2传输线变压器习题：求下图的阻抗变换特性u1u2i22ui1i1+i2i在负载匹配的条件下，有u1=u2=u，i1=i2=i由于变压器的1端与4端相连，输入端1端与3端的电压为u，负载RL上的电压为u1+u2=2u，输入端1的电流为i1+i2=2i，且传输线变压器的输入阻抗为：USST1.2传输线变压器习题求证：16:1LiRRIVRL4IVRi4证毕161LiRRUSST1.2传输线变压器宽带高频功率放大电路V1471.8kCc1121.2kV2Cc250＋28V4∶1阻抗变换器级联，作为第一级功放的输出匹配网络,使第二级功放的低输入阻抗与第一级功放的高输出阻抗实现匹配。使第二级功放的高输出阻抗与50Ω的负载电阻实现匹配。两级功放都工作在甲类状态,并采用直流负反馈方式展宽频带,改善非线性失真。USST1.3功率合成和分配利用多个功率放大电路同时对输入信号进行放大,然后设法将各个功放的输出信号相加,这样得到的总输出功率可以远远大于单个功放电路的输出功率，这就是功率合成技术。利用功率合成技术可以获得几百瓦甚至上千瓦的高频输出功率。理想的功率合成器不但应具有功率合成的功能,还必须在其输入端使与其相接的前级功率放大器互相隔离,即当其中某一个功率放大器损坏时,相邻的其它功率放大器的工作状态不受影响,仅仅是功率合成器输出总功率减小一些USST1.3功率合成和分配功率合成器原理框图分合5W10W10W10W5W分合5W10W10W10W5W分10W5W输入5W5W合20W20W40W输出功率合成单元功率合成单元功率分配单元采用7个功率增益为2,最大输出功率为10W的高频功放,利用功率合成技术,可以获得40W的功率输出USST1.3功率合成和分配由4:1传输线变压器构成的反相功率合成器CCCZRZRZRR22DCBAUSST1.3功率合成和分配如果iA＝iB，也即放大器等效电压源Ua，Ub幅度相等，相位相反A端i=iA-iDaUbUiAiDiCiBiiDB端i=iD-iB)(2121BADBAiiiiiiC端iC=2i=iA-iBiC=2i=0，iD＝iA＝iB，UA＝－UB，UDD,＝2UA两个放大器注入的功率DDDBBAAiUiUiUCDDDDBBAALZRiUiUiUR22每个放大器的等效负载ABADPPPP2每个放大器阻抗匹配，输出功率在负载上合成，传输线变压器虚接USST1.3功率合成和分配如果iB＝0，也即当B管对地短路时iD＝i＝1/2iA此时，传输线变压器工作与4:1阻抗变换状态，1,4端等效阻抗R14＝4RC=2ZC=RDaUbUiAiDiCiiDi故障前后保持不变。管等效负载,//:14CDLZRRRAACDCAAPPPZiP21,2)(2121BADBAiiiiii当某一前级功放发生短路故障时，另一功放工作状态不变(阻抗匹配)，输出功率不变，负载获得前级功放的一半功率，为无故障时的1/4。USST1.3功率合成和分配如果iB＝0，也即当B管开路时iD＝i＝1/2iACACADDDcACCCCZiZiRiPZiZiiRiP2222222122121211,4端电阻RD等效到R13＝RD/4=ZC/2,A对地电阻为R13串联RC=ZC，也即A管等效负载为ZC，故障前后保持不变。iAiDiCiiiD当某一前级功放发生开路故障时，另一功放工作状态不变(阻抗匹配)，输出功率不变，负载获得前级功放的一半功率，为无故障时的1/4。USST1.3功率合成和分配同相功率合成两个功率放大器Ａ和B输出同相等值功率，提供等值同相电流Ia和Ib，则可称为同相功率合成电路。采用和上面类似方法可以证明，此时两功率放大器的注入功率在Ｃ端ＲC上合成，而在Ｄ端电阻ＲD上无输出功率。后者所接电阻称为假负载或平衡电阻。USST1.3功率合成和分配小结正常工作下，传输变压器相当于虚接；电路故障时，传输变压器起阻抗变换作用，使放大管（信号源）的等效负载不变，工作状态不变；电路故障时，负载仍获得功率，只是减小。USST1.3功率合成和分配功率分配器信号源从C或D端接入，A，B端为负载接入端C端接一端接地的非平衡信号源A,B端获得同相位的