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文檔簡介
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
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