功率合成在射频中的应用备课讲稿.doc

功率合成在射频中的应用

精品资料

功率合成技术在射频中的应用
湖南工学院
摘 要：在高频功放中,当需要的输出功率超过单个器件所能输出的功率时,可以将几个器件的输出功率叠加起来,以获得足够大的输出功率,为功率合成技术。功率合成技术在射频领域有着广泛的应用,尤其在大功率发射机中功率合成技术的重要性更加突出,几千瓦至几十千瓦的射频功率是靠功率合成技术得到的,功率合成技术是大功率发射机的关键技术之一。
关键词：功率合成技术；射频；应用
一、 概述
功率合成技术，主要用于功率的合成与分配(有隔离作用)及阻抗变换。射频功率合成技术是当今广播电视电信设备中的核心技术。射频功率分配合成理论早为科学家提出,早期该项技术的应用受到了元器件的制约。随着全球进入电子信息时代,现代半导体元器件制造工艺得到极大提高,原有的电子管发射机已基本汰,取而代之的是以功率合成技术为主体的固态型发射、数字发射,发射功率可做到几千瓦至几百千瓦。且体积小,能耗低,效率高。了解分析功率合成技术对于我们学习掌握固态机的维护知识十分重要。[[] 严志刚．射频功率合成技术[J]．包头广播中心台发射技术，2003（02）
]
二、 功率合成技术
主要用于功率的合成与分配（有隔离作用）及阻抗变换
(一)功率相加条件（必要条件）
当有m个同类型的功率放大单元电路,共同输出推动一个匹配负载时,其中每一个放大单元输出功率Po均相等,总的输出功率为mPo
(二)各功放单元彼此互不相关条件（充要条件）
一个理想的功率合成电路，除了能够毫无损失的合成各功率放大器的输出功率外，还应具有良好的隔离作用，即其中任一放大器的工作状态发生变化或者遭到破坏时，不会引起其他放大器工作状态发生变化，不影响它们各自的输出功率，功率合成器的组成由射频推动、射频推动功率分配、功放组合、功率合成、匹配负载五部分组成。而重点讨论射频分配与功率合成的问题。[[] 胡宴如,耿苏燕.高频电子线路. 北京 ：高等教育出版社. 2009.（01）
]
三、 射频功率合成与分配
射频功率合成并不是说参与合成的各个放大单元电路的输出代数和,每一个功放单元的输出均为矢量,故功放合成为矢量合成。综上所述,我们只要求功率合成之后,输出仅在幅度上的叠加且达到最大,而不产生新的频率成分和相移。[2]
射频分配与合成技术应用很广,但由于工程应用中各类不同的设备工作频段不同,分配合成网络电路形式各不相同。在微波设备中,由于波长很短,频率很高,导线对传输的相位影响较大,所以通常采用正交桥式传输线功率分配与合成器。而在调频广播和电视设备中,由于设备工作在相对低些的频率上,除采用以上原理之外,通常应用传输线变压器原理。在低于的设备中,一般都采用高频变压器进行功率分配合成。下面分别做以简介。
(一)正交桥式传输线功率分配器
如图1所示。正交桥式功率分配合成器是一个四端网络器件,它由两个导体组成,这些导体被封闭在一个屏蔽体内,所处的位置其电场和磁场强度均相同,导体之间将按照物理学规律在对方引起感应电流。使它的输出端产生一个同相端和一个相移-90°输出端。

(二)传输线变压器功率分配合成器
该合成网络利用传输线变压器组成功率分配合成网络如图2所示

图2 传输线变压器网络
为了满足要求,通常取
Ra=Rb=Zc=R
Rc=Zc/2=R/2
Rd=2Zc=2R
此处Zc=R为传输线变压器的特性阻抗。这样网络中的两个线圈对应的各点所通过的电流必然大小相等、且相位相反,变压器输入输出端电压的振幅也是相等的。
当该网络用于功率分配时,根据网络对称性,如果从C端馈入信号,则a、b两端可得到对地而言大小相等、相位相同的两个信号,而d端无信号输出；如果从d端馈入信号,则在a、b两端得到大小相等而相位相反的两个信号,而C端无输出。可以看出该网络用于功率分配时,在Ra、Rb上获得相等的功率,且为输人功率的一半,而c、d两端则互相隔离,并且互不影响。[3]
(三)高频变压器功率分配Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.
通常在以下的设备中采用高频变压器网络进行功率分配。如图3所示。图中变压器的匝比K相等,R1=R2=…=Rm。
射频激励电压从R端输人,则在R1、R2、…、Rm上获得相同的射频电压,其值为U1=U2=......=Um二,如果在变压器次级选用等长的导线,则输出电压的相位也必然相同,或相反。[[] 孙玉平,李新民.射频功率合成技术分析[J]. 西部广播电视. 2013(05)

]

图3 高频变压器分配器
四、 高频变压器网络功率合成器
如图4所示,图中变压器的匝比相等,R1=R2=......=Rm。,射频功率从R1、R2、…、Rm二端馈人,则可得：

图4 高频变压器合成器
在变压器的初级
U1=U2=…=Um=U
I1=I2=…=Im=I
R1=R2=…=Rm=U/I
P1=P2=…=Pm=P
在变压的次级
UL1=UL2=…=ULm=U/K
UL=UL1+UL2+…+ULm=mU/K
IL=UL/RL=KI
RL=UL/IL=mR0/K2
PL=UL*IL=K*I*kU/K=mIU=mP
可以看出这种方式完全符合功率相加条件（必要条件）。
在n个功放单元电路短路缺损的情况下,n个功放单元变压器初级短路而无电压输出。无故障的功放单元输出电压不变,则合成变压器次级的状态为
UL’=(m-n)U/K
IL’=((m-n)/m)*KI
PL’=((m-n)/m)2*PL
由此可以看出,在功放短路性缺损的情况下,不但总的输出功率下降了,而且由于输人输出阻抗的变化导致每个功放初级的输出功率也下降了。缺损越多则这个变化就越大。
五、10KW一DAM发射机功率分配与合成
(一)功率分配
762厂生产的10KW一DAM发射机和哈广生产的循环编码制10KW一DAM发射机在功率分配合成上是一致的,均采用了三块功放模板作为推动输出,输人电压峰峰值为22V,115V供电,变压器分配,当正常时工作电流为3.2A,但当大台阶功放模块损坏时,由IRF350即控制极对地短路,所以使推动级负载加重,在功放模块损坏较多时,容易造成欠激励故障,同时推动级总电流可达到5A。
(二)功率合成
采用42个大台阶功放,六个二进制功放,负载阻抗RL=4Ω,供电电压230V,通常情况下,由13只功放模块工作就可以保证10kw载波功率,变压器匝比为17:1。则每个功放的工作情况如下：
在匹配的情况下,
功放模块匹配负载R0=RLK2/m=4*172/18=64Ω
输出的载波电压U0=4(230-Er)/π =207V
输出的载波功率为P1=P2=…=Pm=U02/R0=669W
但在开通的功放不足18个时,每个模块上的负载发生变化,它的输出不再是额定功率,而是随着开通数减少而减小。可见这个情况并不能满足相互无关条件,但这一点并不影响发射机工作。[3]

仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢9