傳輸線變壓器在射頻功率放大器中的應(yīng)用

1、傳輸線變壓器在射頻功率放大器中的應(yīng)用張海枝(中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所波譜與原子分子物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢 430071摘 要介紹由傳輸線變壓器(又稱為魔T混合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成功率合成和功率分配的工作原理以及在射頻大功率放大器中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞射頻功率放大器傳輸線變壓器The Appl ica tio n of Tran s m issi on I i ne Tran sform er i nRad io -freque ncy power am pl if ierH 1Z 1Zha ng(N ati onal key labo rato ry of m agn etic res onance an

2、d atom ic and mo lecularphysiscW uhan institute of physics and m athem atics , Ch inese A cadem y of Sciences , Wuhan , 430071Abstract T he p ap er describe the p rinci p le and app licati on of tran s m issi online tran sfo rm er (o r m agic“ T ” netw o rk as com pound pow er and assign pow erKey w

3、ords radi o -freque ncy , pow er am p litier , tran s m issi on line tran sfo rmer .1引言在無線電高頻大功率放大器中往往采用功率合 成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)多個功率放大器聯(lián)合工作，以解決目前晶體管還不能提供足夠大的輸出功率問題 ，一個理想的功率合成電路除了要求無損地合成各個功率 放大器的輸出功率、良好的隔離作用（即 其中任一放大器的工作狀態(tài)發(fā)生變化或遭到損壞，不會因此 而引起其它放大器工 作狀態(tài)也隨之發(fā)生變化影響各自的功率輸出。還必須具備寬頻帶、很高的上限工作頻率即好的頻率覆蓋特性（上限頻率與下限頻率 的比。在低頻功率放大

4、器中 用普通高頻變壓器作功率合成。而在高頻功率放大器中變壓器的頻率特性和頻率 覆蓋系數(shù)不能滿足要求。而傳輸線變壓器的特點(diǎn)是工作頻率極寬，上限頻率可達(dá) 上千兆，頻率覆蓋系數(shù)可達(dá)104。廣泛用在高頻功率放大器中。下面介紹傳輸線 變壓器工作原理以及在射頻功率放大器中的應(yīng)用。2原理圖1是用傳輸線變壓器實(shí)現(xiàn)功率合成的原理 圖，Tr 1即為傳輸線變壓器，四個 端點(diǎn)a、b、c、d通過T r 1兩繞組,在A、B兩端接入兩個等量反相 功率放大 器，則各節(jié)點(diǎn)電流如下：I =1 a -I d =I d -I圖1傳輸線變壓器原理圖式中I d為流過負(fù)載R1的電流，因而有：I d =(I a +I b 2(1I =(I

5、a -I b 2相應(yīng)地流過 R c的電流為:I c =2I =I a -I b若I a =I b即兩功率放大器提供等值反相電流,則 I d =I a =I b 而I c =0由于T r 1兩繞組上的電壓相等,因此V a =V b=V 1 2,這樣兩個功率放大器輸出的反相等值功率在R d疊加 V d I d =V a Ia +V b I b而C端無功率輸出。這時(shí)每個功率放大器的等 效輸出負(fù)載為：R仁V a I a =V b I b =V d 2I d =R d 2(3選擇合適的R d便可得到各個功率放大器所要求的輸出負(fù)載電阻。若I a =-I b即兩功率放大器提供等值同相電流,則 I c =2I

6、 b I d =0即V d =0從而使T r 1兩繞組上的電壓均為零。因而V a =V b =V c 兩功率放大器輸出的同相等值功率在 R c 上疊加 V c I c =V a I a +V b I b而D端無功率輸出。這時(shí)每個功率放大器的等效輸出負(fù)載為：R仁V a I a =V b I b =2V c I c =2R c (4 若I a 工 而且I b為任意值，則由圖1可知A端的電壓為V a =V d 2+2IR c 式中V d =R d I d將(1式代入上式得到 V a =R d I d 2+R c (I a -I b=R d (I a +I b4+R c (I a -I b=I a (

7、R d 4+R c +I b (R d 4-R c若 R c取值為 R c =R d 4(5貝U V a =R d I a 2 A端等效電阻仍為R a =R d 2也就是說無論I b怎么變化都不會影響 A端的等效負(fù)載阻抗，換句話說由于某種原因使其中一個功率放大器的工作狀態(tài)發(fā)生 了變化或損壞，不會由此而引起其它功率放大器的工作狀態(tài)隨之發(fā)生變化或損壞。因此(5式稱為魔T混合網(wǎng)絡(luò)的隔離條件。可見在A、B兩端輸入兩功率信號在 R d上可得到兩個反相輸入信號被合成 的功率輸出。在R c上可得到兩個同相輸入信號被合成的功率輸出。同理可證明在C端接入一同相功率信號可在A、B兩端得到由魔T混合網(wǎng)絡(luò)被分配的功率

8、。C端等效負(fù)載為R c =R a R b 若 R a =R b ,貝 UR c =R b 2=R a 2在D端接入一反相功率信號可在 A、B兩端得到由 魔T混合網(wǎng)絡(luò)被分配的功 率。D端等效負(fù)載為R d =R a +R b 若 R a =R b 貝 UR d =2R b =2R a3傳輸線變壓器在射頻功率放大器中的應(yīng)用圖2是由魔T混合網(wǎng)絡(luò)組成的,頻率2M H z輸出功率約150W的R -F功率放大器。Q 1和L、C組成的諧振放大器將輸入 的方波調(diào)諧成正弦波,經(jīng)電容C 2耦合成魔T混合網(wǎng)絡(luò)T r 1(4 : 1衰減。T r 2為 魔T混合網(wǎng)絡(luò)接成的功率分配器，將Q1放大的信號均勻地分配給兩功率放大

9、管 Q 2、Q 3, Q 2、Q 3為VM O S場效應(yīng)管,放大后再由T r 3作功率合成器,輸出 給負(fù)載R 5。下面分析T r 1、T r 2、T r 3在上述電路中的作用汗iC一一圖2傳輸線變壓器組成的R -F功率放大器(1使功率放大電路大為簡化若作變壓器替 代T r 1, T r 2作Q 1的阻抗匹配轉(zhuǎn)換并完成功率分配。首先普通變壓器頻率稍高，損耗加大，變壓器本身消耗的無功功率也增 大,這對功率放大器來講 是極為不利的。另外晶體管Q1為了較好的阻抗匹 配必 須增大變壓器的變比(初級匝數(shù)與次級匝數(shù)之 比，信號被衰減了加到Q 2、Q 3功 放管的推動信號也必然減小了 。有時(shí)甚至需要增加一級乙

10、類放大以便推動功率放 大管。現(xiàn)在由T r 1來完成4： 1的衰減以達(dá)到與Q 1的集電極阻抗匹配。T r 2 接成反相功率分配器，均勻地將Q1放大的信號分配給兩功 率放大管使整個功率 放大電路無功率損耗降低到最 小限度。同時(shí)大功率VMOS場效應(yīng)管具有極高的 輸入阻抗可以很方便地改變柵極阻抗來實(shí)現(xiàn)與魔T混合網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配。(2 T r 3接成功率合成器 將經(jīng)過Q 2、Q 3分別放大的正、負(fù)半周的信號合 成一個完整的正弦波輸 出給負(fù)載。實(shí)驗(yàn)證明：接入T r 3可使負(fù)載得到的功 率增加 15%20%,可見T r 3在功率放大器的作 用。(3圖2中RL =1k 8根據(jù)以上魔T混合網(wǎng)絡(luò)的阻 抗匹配條件可知Q 2、Q 3的 漏極負(fù)載阻抗為500& R 3=R 4=1008,對T r 1呈現(xiàn)的負(fù)載阻抗為2008,由于T r 1 為4： 1的衰減器，根據(jù)魔T混合網(wǎng)絡(luò)的終端匹配原理要求傳輸線的特性阻抗為 4008。而對Q 1的集電極呈現(xiàn)的負(fù)載阻抗為8008。4結(jié)束語傳輸線變壓器的上限頻率理論上可作到無限，但實(shí)際上受磁芯的導(dǎo)磁率、傳輸線的長度L (工程上 規(guī)定L不得超過