第10章功率合成與分配課件

第10章功率合成與分配2常用方法：3傳輸線變壓器、傳輸線定向耦合器和1/4波長傳輸線等。功率合成與分配是相互聯(lián)系的，用作功率合成的晶體管，必須通過功率分配而得到激勵信號。合成網(wǎng)絡(luò)與分配網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是相同的，其區(qū)別不過是信號源與負載相互調(diào)換了位置。第一節(jié)4傳輸線變壓器功率合成與分配特點：頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡單、插入損耗??；用于VHF頻段、小功率等級。一、 功率合成網(wǎng)絡(luò)561、A端和B端同時加入同頻、同相、

大小相等的高頻信號7流過RA

的電流為IA

，流過RB的電流為IB。由傳輸線理論可知，若終端匹配并忽略傳輸線本身的損耗時，流過兩繞組的電流大小相等，但相對于同名端而言方向相反，即一個流入同名端，一個流出同名端。傳輸線變壓器功率合成網(wǎng)絡(luò)等效電路8∵uSA=

uSB

=u

，RA=

RB

=

R，IA

=

IB

=

I，UA

=

u-

IA

RA=

u-

I

R，UB

=

u-

IB

RB=

u-

I

R，∴UA=UB，UAB=0，I2

=0，I1=

IA=IB

=

I，RD上得到的功率PD

=09在匹配的狀態(tài)下（RC

=

R/2），每一

信號源送出的功率為I2R（I為有效值），負載RC得到的功率為PC

=（2

I1）2RC=（2I）2R/2=2

I2

R，為A、B兩點注入功率之和。C點對地電壓

：UC

=2IR/2=

IR∵u

I=2

I2R，u

=2

IR∴UA=UB

=

u-IR=2

IR-

IR=

IR=

UC

，說明A、B、C三點同電位。102、

A端和B端同時加入同頻、同相、大小不等的高頻信號變壓器兩繞組的匝數(shù)相等，分析時可認為兩繞組的電壓大小相等，電流相等（相對于同名端而言方向相反）。11根據(jù)等效電路圖可得到以下關(guān)系（注意：矢量關(guān)系）：12IA=

I1+

I2IB=

I1-I2，（1-1）（1-2）UA

=

UAC

+2I1RC=

UAC+

I1RUB

=

UBC

+2I1RC=

-UCB+

I1R（1-3）（1-4）將式（1-3）和（1-4）相加，得13UA+UB

=2I1R∴I1=（UA+UB）/2R（1-5）（1-6）而由RD支路可知：

I2=（UA-UB）/2R（1-7）功率關(guān)系：設(shè)兩信號源對外供出的功率分別為14A

APA=

U2

/R

和P

=

U2B

B

C/R

，R

上得到的功率

PC

：PC

=（2I1）2RC=

[2（UA+UB）/2R]2

R/2=1/2

（U2A/R

+

U2BA

B/R

）+

U

U

/R=1/2

（PA

+PB）+（1-8）在RD上得到的功率PD：15PD（1-9）由（1-8）和（1-9）可知，當UA=UB時，PA

=PB，16PC

=

PA

+PB

=

2P，PD

=0當信號源的幅度不相等，例如令PA=2PB，17盡管相差2倍，經(jīng)計算可知，PC=2.9

PB(占全部功率的96.67%),

PD

=0.1

PB(占全部功

率的3.33%)，負載仍能得到絕大部分功率。在PB

=0（或PA

=0）的特殊情況下，則，PC

=0.5

PA，PD

=0.5

PA，即RC和RD各得到一半功率。這種情況代表利用兩個晶體管進行同相功率合成時，其中一管損壞，其輸出功率為0。另一管的輸出功率只有一半送給負載PC，另一半消耗在RD上，負載上得到的功率只有雙管工作時的1/4。183、

A端和B端同時加入同頻、幅度相同、相位不同的高頻信號19設(shè)兩信號源對外供出的功率分別為PA=U2A

B

B/R和

P

=

U2

/R

兩個高頻信號之間的相位差為θ。RC上得到的功率

PC

：20PC（1-10）RD上得到的功率PD：PD(1-11)若θ=300,21(占94.5%)則PC

=PB

+0.89PB=1.89

PBPD

=

PB

+0.89PB=0.11

PB(占5.5%)特例：θ=1800（即反相激勵），則根據(jù)（1-10）和

(1-11)PC（1-12）PD（1-13）此時，信號功率將在RD上合成，如PA=PB，RC上得到的功率為0。22二、 功率分配網(wǎng)絡(luò)（一）、同相功率分配23同相功率分配網(wǎng)絡(luò)（RC為信號源內(nèi)阻、RA和RB

可視為兩晶體管放大器的輸入阻抗，RD是平衡電阻）24忽略RC后的等效電路25在匹配狀態(tài)下，得到下列關(guān)系：26IA=

I1-I2IB=I1+I2，（1-1

4）（1-15）∵UAC

+

U=

IARA

及UCB

+

IBRB

=U得UAC

=

IARA-

UUCB

=-IBRB

+U（1-16）（1-17）（1-16）與（1-17）相加：UAC

+

UCB

=

UAB

=

IARA

-IBRB=

I2RD（1-18）（1-16）與（1-17）相減：27IARA-

2U

+IBRB

=

0(UAC

=UCB)（1-19）將式（1-16）—

（1-19）聯(lián)立，解得四個電流分別為IA

=2U(RD+2RB)/(

RARD+

RBRD

+4

RARB

)(1-20)IB

=

2U(RD+2RA)/(

RARD+

RBRD

+4

RARB

)(1-21)I1

=2U(RA+

RB+RD)/(

RARD+

RBRD

+4

RARB

)(1-22)I2=2U(RA-

RB)/(

RARD+

RBRD

+4

RARB

)(1-23)28(R=Z0,為傳輸29令RA

=nR,

RB

=R,

RD

=2R線的特性阻抗)，得：IA

=4U

/

(3n+1)

RIB

=

2

(n+1)

U

/(3n+1)RI1

=

(n+3)

U

/

(3n+1)RI2=

(n-

1)

U

/

(3n+1)R(1-24)(1-25)(1-26)(1-27)根據(jù)式(1-24)和(1-25)，得：IA

=[2

/

(n+1)

]

IBI2=[

(n-

1) /

2（n+1）]

IB30（1-28）（1-29）PA

=

IA

2

RA={[2

/

(n+1)

]

IB

}2

nR=4n/(n+1)2

·IB

2R=[4n/(n+1)2]·PB(1-30)(1-PD

=

I2

2

RD

=(1/2)

·(n-1)2

/(n+1)2

·PB31)當n=1時，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，經(jīng)過計算可知:RA和RB得到的功率分別占總功率的

45.8%和51.4%,總功率的2.8%消耗在平衡

電阻RD上。31（二）、反相功率分配反相功率分配網(wǎng)絡(luò)及等效電路如圖32這里，內(nèi)阻為RD的信號源接在A、B之間，，RC為平衡電阻。與同相功率分配網(wǎng)絡(luò)分析相似，可以得到IA

、IB

、I1

和I2的表達式

。如果

RA

=

RB

=R,

RC

=R/2時，PA

=

PB

（二者的高頻電壓相位相反）

，PC

=0。33第二節(jié)34帶狀線定向耦合器功率合成與分配一、3dB帶狀線定向耦合器35帶狀線定向耦合器是一個四端口器件，

線長為中心頻率所對應(yīng)的波長的1/4，各端口都接以匹配負載。若信號源由端口1接入，則端口2、4有輸出，而3端沒有輸出。帶狀線定向耦合器結(jié)構(gòu)示意圖36帶狀線定向耦合器有如下特性：37（1）、若信號源由端口1接入,出端2是通過電磁耦合而輸出能量，稱為耦合端；

4端是靠傳導(dǎo)而輸出能量，稱為直通端；3端無能量輸出，稱為隔離端。（2）、

2端輸出電壓與輸入端1輸入電壓同相，電壓大小之比稱為電壓耦合系數(shù)

K0=

|U2/U1|，，其功率與輸入功率之比，0

0

2

1稱為功率耦合系數(shù)C0=

K2

=

|U

/U

|2，通常用dB表示為：C0=10

lg|U2/U1|2

(2-2)根據(jù)帶狀線理論，即

：P2=0.5P1

,

用dB表示的耦合度：20

lg

|U2/U1|=10

lg

|U2/U1|2=-3dB（2-3）38（3）、輸出端4的

U4與U1的關(guān)系：39U4

（2-4）P4/

P1=

|U4/U1|2=0.5

,

10

lg

P4/

P1

=-3dB(2-6)(4)

、2端的輸出功率與隔離端3的輸出功率之比，稱為定向耦合器的定向系數(shù)，通

常用dB表示為：D=10

lg

|U2/U3|2

=

10

lg

P2/P3

dB(2-7)在理想情況下，U3=0，D為無窮大。實用中一般對D提出一個起碼的要求，例

如要求大于35

dB。40（5）、電壓駐波比（VSWR）：

電壓駐波比的定義為：VSWR=（入射波電壓+反射波電壓）/（入射波電壓-反射波電壓）

(2-8)取決于各端的匹配程度，一般要求小于1.1

(相當于反射電壓小于0.0476入射電壓)。41二、3dB帶狀線定向耦合器功率合成與分配42（一）、功率分配3

dB定向耦合器功率分配43將輸入信號U1（振幅值）加于端口1，各端口功率關(guān)系如下：441

1P1=

U

2/2RP2==

(1/2)

P1P3=0P4= =

(1/2)

P12端和4端各分得一半的輸入功率,實現(xiàn)了功

率分配(但電壓相位差900)（二）功率合成45將兩個相位差900的信號源分別加在3dB定向耦合器的兩個相互隔離端,例如2端

和4端,則可實現(xiàn)在3端的功率合成。3

dB定向耦合器功率合成46,,

對于u2而設(shè)言,1端為耦合端,得到同相的耦合電壓U′1而3端為直通端,得到落后900的直通電壓U′347對于u4而言,

3端為耦合端,得到同相的耦合電壓，而1端為直通端,得到落U3

=

U4”后900的直通電壓U”1=

U448因此,在兩個電源的共同作用下,當U2=U4=U時：1

1

11端的輸出電壓為U1=U′

+U”

=U2

+

U4

=0，3端的輸出電壓為U33=U′3

+U”

=3U2

+

U4=U。49端口2和4輸入功率分別為：P2=

(1/2)

U2

/R

，

P4=

(1/2)

U2/R1端輸出功率為P1=0；3端輸出功率為P3=(1/2)（U）2

/

R=2

P2=

2P4當U2和U4相位差900，但U2≠U4時，會

有少量的功率傳到1端的吸收電阻而被消耗掉。50第三節(jié) 調(diào)頻與電視廣播用51雙工器與多工器調(diào)頻廣播或電視廣播發(fā)射機，可借助雙工器或多工器，實現(xiàn)不同頻率的信號功率52的合成，共用一條饋線和一套天線。一、等臂3

dB

橋雙工器和多工器53（一）、等臂3

dB

橋濾波式雙工器分別將兩個3dB耦合器和濾波器對臂連接成橋式，構(gòu)成橋式雙工器。濾波器可分為帶阻式（陷波式）和帶通式兩種。1、等臂3

dB橋帶阻式雙工器54等臂3

dB橋帶阻式雙工器構(gòu)成55圖像信號由3

dB定向耦合器I送入，經(jīng)

耦合器I進行功率分配（兩路電壓相差900），兩個帶阻（對伴音而言）濾波器對圖像信號來說無影響，可以暢通無阻地通過，兩路相差900的圖像電壓，通過耦合器II，在天線端實現(xiàn)功率合成。56伴音信號由3dB定向耦合器II送入，

經(jīng)進行功率分配，兩路電壓相差900，沿著等臂長向兩個帶阻(對伴音而言)濾波器傳去，

形成全反射后又返回耦合器II，也在天線端進行功率合成。57帶阻濾波器并非理想，漏過的伴音信

號送入耦合器I，在吸收電阻R0上合成而消耗掉，而不會送到圖像發(fā)射機。等臂3

dB橋帶阻式雙工器既實現(xiàn)了在天線上的功率58合成，又使圖像發(fā)射機和伴音發(fā)射機相互隔離。2、等臂3

dB橋帶通式雙工器59等臂3

dB

橋帶通式雙工器構(gòu)成60與等臂3

dB橋帶阻式雙工器不同，一是將圖像與伴音信號的位置相互對調(diào)，二是兩個濾波器對伴音信號是帶通（對圖像來說是帶阻）。分析方法同上，在正常工作情況下，圖像與伴音信號在天線合成。613、實用的電視廣播雙工器有效抑制fv

–4.43MHz（fv為圖像載波頻率）頻率成分，降低對鄰頻道的干擾，

是實際的圖像與伴音雙工器要考慮的問題。6263組成部分：3dB定向耦合器I和II，兩個伴

音反射器，兩個（fv

–4.43MHz）頻率成分64反射器，一個吸收電阻R0。工作原理如下：65圖像信號：由3dB定向耦合器I的1端輸

入，由2端和4端輸出兩路差相900的信號。反射元件對圖像信號呈并聯(lián)諧振，故無反射而直接送到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線，在2端相互抵消，不影響伴音發(fā)射機。伴音信號：由3dB定向耦合器II的2端

輸入，經(jīng)3dB定向耦合器II的1端和3端輸出兩路差相900的信號，由于伴音反射器對伴音信號呈短路狀態(tài)，兩路信號在此形成全反射，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端功率合成而送往天線，在2端相互抵消而不返回伴音發(fā)射機。66實際上伴音反射器對伴音信號不可能實現(xiàn)理想全反射，回有少量的功率傳到3dB定向耦合器I，如果漏過去的功率相同，二者將在耦合器I的1端相互抵消而不會影響圖像發(fā)射機，在耦合器I的3端相疊加，被吸收電阻吸收。67圖像發(fā)射機送來的圖像信號中的fv–4.43MHz頻率成分，經(jīng)fv–4.43MHz反射器全反射后，返回耦合器I的2端和4端，最后在1端相抵消而不送回圖像發(fā)射機，在3端

疊加而被吸收電阻吸收。68（二）、等臂3

dB

橋濾波式多工器69由兩個等臂3

dB

橋可構(gòu)成三工器

，可

以實現(xiàn)三種不同頻率的信號合成，例如一套電視節(jié)目的圖像與伴音以及一套調(diào)頻節(jié)目的功率合成。1、等臂3

dB

橋帶阻式三工器70等臂3

dB

橋帶阻式三工器原理圖71第一個3

dB

橋中的濾波器對伴音信號

來說是帶阻，對圖像信號來說是帶通；伴音和圖像信號先在第一個3

dB

橋中合成后，送入第二個3

dB

橋，再與FM信號在天線合成。第二個3dB

橋中的濾波器對FM信號是帶阻，對圖像與伴音信號來說是帶通。722、等臂3

dB

橋帶通式三工器73等臂3

dB

橋帶通式三工器原理圖74二、星形雙工器75最簡單的星形雙工器適用于調(diào)頻廣播發(fā)射機。陷波器組成的星形雙工器76陷波器N2對信號f1呈現(xiàn)高阻抗，而陷

波器N1對信號f1形成串聯(lián)諧振，呈現(xiàn)極低阻抗，相當于λ1/4傳輸線的負載為0，其輸入阻抗為無窮大，即圖的右側(cè)部分對信號f1呈現(xiàn)高阻抗，促使信號f1直接送往天線；同理，圖的左側(cè)部分對信號f2呈現(xiàn)高阻抗，促使信號f2直接送往天線。77也可用帶通濾波器構(gòu)成星形雙工器，它

由f1和f2帶通濾波器和一個分支電路組成。78帶通濾波器組成的星形雙工器