功率合成在射頻中的應用

功率合成技術(shù)在射頻中的應用湖南工學院摘要：在高頻功放中,當需要的輸出功率超過單個器件所能輸出的功率時,可以將幾個器件的輸出功率疊加起來,以獲得足夠大的輸出功率,為功率合成技術(shù)。功率合成技術(shù)在射頻領域有著廣泛的應用,尤其在大功率發(fā)射機中功率合成技術(shù)的重要性更加突出,幾千瓦至幾十千瓦的射頻功率是靠功率合成技術(shù)得到的,功率合成技術(shù)是大功率發(fā)射機的關(guān)鍵技術(shù)之一。關(guān)鍵詞：功率合成技術(shù)；射頻；應用概述功率合成技術(shù)，主要用于功率的合成與分配(有隔離作用)及阻抗變換。射頻功率合成技術(shù)是當今廣播電視電信設備中的核心技術(shù)。射頻功率分配合成理論早為科學家提出,早期該項技術(shù)的應用受到了元器件的制約。隨著全球進入電子信息時代,現(xiàn)代半導體元器件制造工藝得到極大提高,原有的電子管發(fā)射機已基本汰,取而代之的是以功率合成技術(shù)為主體的固態(tài)型發(fā)射、數(shù)字發(fā)射,發(fā)射功率可做到幾千瓦至幾百千瓦。且體積小,能耗低,效率高。了解分析功率合成技術(shù)對于我們學習掌握固態(tài)機的維護知識十分重要。[[][]嚴志剛．射頻功率合成技術(shù)[J]．包頭廣播中心臺發(fā)射技術(shù)，2003（02）功率合成技術(shù)主要用于功率的合成與分配（有隔離作用）及阻抗變換(一)功率相加條件（必要條件）當有m個同類型的功率放大單元電路,共同輸出推動一個匹配負載時,其中每一個放大單元輸出功率Po均相等,總的輸出功率為mPo(二)各功放單元彼此互不相關(guān)條件（充要條件）一個理想的功率合成電路，除了能夠毫無損失的合成各功率放大器的輸出功率外，還應具有良好的隔離作用，即其中任一放大器的工作狀態(tài)發(fā)生變化或者遭到破壞時，不會引起其他放大器工作狀態(tài)發(fā)生變化，不影響它們各自的輸出功率，功率合成器的組成由射頻推動、射頻推動功率分配、功放組合、功率合成、匹配負載五部分組成。而重點討論射頻分配與功率合成的問題。[[]胡宴如,耿蘇燕.高頻電子線路[]胡宴如,耿蘇燕.高頻電子線路.北京：高等教育出版社.2009.（01）射頻功率合成與分配射頻功率合成并不是說參與合成的各個放大單元電路的輸出代數(shù)和,每一個功放單元的輸出均為矢量,故功放合成為矢量合成。綜上所述,我們只要求功率合成之后,輸出僅在幅度上的疊加且達到最大,而不產(chǎn)生新的頻率成分和相移。[NOTEREF_Ref1837\h2]射頻分配與合成技術(shù)應用很廣,但由于工程應用中各類不同的設備工作頻段不同,分配合成網(wǎng)絡電路形式各不相同。在微波設備中,由于波長很短,頻率很高,導線對傳輸?shù)南辔挥绊戄^大,所以通常采用正交橋式傳輸線功率分配與合成器。而在調(diào)頻廣播和電視設備中,由于設備工作在相對低些的頻率上,除采用以上原理之外,通常應用傳輸線變壓器原理。在低于的設備中,一般都采用高頻變壓器進行功率分配合成。下面分別做以簡介。(一)正交橋式傳輸線功率分配器如圖1所示。正交橋式功率分配合成器是一個四端網(wǎng)絡器件,它由兩個導體組成,這些導體被封閉在一個屏蔽體內(nèi),所處的位置其電場和磁場強度均相同,導體之間將按照物理學規(guī)律在對方引起感應電流。使它的輸出端產(chǎn)生一個同相端和一個相移-90°輸出端。(二)傳輸線變壓器功率分配合成器該合成網(wǎng)絡利用傳輸線變壓器組成功率分配合成網(wǎng)絡如圖2所示圖2傳輸線變壓器網(wǎng)絡為了滿足要求,通常取 Ra=Rb=Zc=RRc=Zc/2=R/2Rd=2Zc=2R此處Zc=R為傳輸線變壓器的特性阻抗。這樣網(wǎng)絡中的兩個線圈對應的各點所通過的電流必然大小相等、且相位相反,變壓器輸入輸出端電壓的振幅也是相等的。當該網(wǎng)絡用于功率分配時,根據(jù)網(wǎng)絡對稱性,如果從C端饋入信號,則a、b兩端可得到對地而言大小相等、相位相同的兩個信號,而d端無信號輸出；如果從d端饋入信號,則在a、b兩端得到大小相等而相位相反的兩個信號,而C端無輸出?？梢钥闯鲈摼W(wǎng)絡用于功率分配時,在Ra、Rb上獲得相等的功率,且為輸人功率的一半,而c、d兩端則互相隔離,并且互不影響。[NOTEREF_Ref2082\h3](三)高頻變壓器功率分配REF_Ref20811\n\hREF_Ref20811\n\hREF_Ref20811\n\hREF_Ref20811\n\hREF_Ref20811\n\hREF_Ref20811\n\hREF_Ref20811\n\hREF_Ref20811\n\hREF_Ref20811\n\hREF_Ref20811\n\h通常在以下的設備中采用高頻變壓器網(wǎng)絡進行功率分配。如圖3所示。圖中變壓器的匝比K相等,R1=R2=…=Rm。射頻激勵電壓從R端輸人,則在R1、R2、…、Rm上獲得相同的射頻電壓,其值為U1=U2=......=Um二,如果在變壓器次級選用等長的導線,則輸出電壓的相位也必然相同,或相反。[[]孫玉平,李新民.[]孫玉平,李新民.射頻功率合成技術(shù)分析[J].西部廣播電視.2013(05)圖3高頻變壓器分配器高頻變壓器網(wǎng)絡功率合成器如圖4所示,圖中變壓器的匝比相等,R1=R2=......=Rm。,射頻功率從R1、R2、…、Rm二端饋人,則可得：圖4高頻變壓器合成器在變壓器的初級U1=U2=…=Um=UI1=I2=…=Im=IR1=R2=…=Rm=U/IP1=P2=…=Pm=P在變壓的次級UL1=UL2=…=ULm=U/KUL=UL1+UL2+…+ULm=mU/KIL=UL/RL=KIRL=UL/IL=mR0/K2PL=UL*IL=K*I*kU/K=mIU=mP可以看出這種方式完全符合功率相加條件（必要條件）。在n個功放單元電路短路缺損的情況下,n個功放單元變壓器初級短路而無電壓輸出。無故障的功放單元輸出電壓不變,則合成變壓器次級的狀態(tài)為UL’=(m-n)U/KIL’=((m-n)/m)*KIPL’=((m-n)/m)2*PL由此可以看出,在功放短路性缺損的情況下,不但總的輸出功率下降了,而且由于輸人輸出阻抗的變化導致每個功放初級的輸出功率也下降了。缺損越多則這個變化就越大。五、10KW一DAM發(fā)射機功率分配與合成(一)功率分配762廠生產(chǎn)的10KW一DAM發(fā)射機和哈廣生產(chǎn)的循環(huán)編碼制10KW一DAM發(fā)射機在功率分配合成上是一致的,均采用了三塊功放模板作為推動輸出,輸人電壓峰峰值為22V,115V供電,變壓器分配,當正常時工作電流為3.2A,但當大臺階功放模塊損壞時,由IRF350即控制極對地短路,所以使推動級負載加重,在功放模塊損壞較多時,容易造成欠激勵故障,同時推動級總電流可達到5A。(二)功率合成采用42個大臺階功放,六個二進制功放,負載阻抗RL=4Ω,供電電壓230V,通常情況下,由13只功放模塊工作就可以保證10kw載波功率,變壓器匝比為17:1。則每個功放的工作情況如下：在匹配的情況下,功放模塊匹配負載R0=RLK2/m=4*172/18=64Ω輸出的載波電壓U