功率合成與分配

功率合成與分配第1頁/共89頁

功率合成：

通過功率合成網(wǎng)絡(luò)，將多個(gè)高頻功率放大器的輸出功率相加；

功率分配：

通過功率分配網(wǎng)絡(luò)，將高頻信號(hào)功率均勻、互不影響地同時(shí)分配給多個(gè)獨(dú)立的負(fù)載，使每個(gè)負(fù)載獲得功率相等、相位相同（或相反）的信號(hào)。

第2頁/共89頁常用方法：

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(lì)信號(hào)。

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(hào)源與負(fù)載相互調(diào)換了位置。第3頁/共89頁第一節(jié)

傳輸線變壓器

功率合成與分配

特點(diǎn)：

頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡單、插入損耗小；用于VHF頻段、小功率等級(jí)。

第4頁/共89頁一、

功率合成網(wǎng)絡(luò)

第5頁/共89頁

第6頁/共89頁1、A端和B端同時(shí)加入同頻、同相、大小相等的高頻信號(hào)

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(shí)，流過兩繞組的電流大小相等，但相對(duì)于同名端而言方向相反，即一個(gè)流入同名端，一個(gè)流出同名端。

第7頁/共89頁傳輸線變壓器功率合成網(wǎng)絡(luò)等效電路第8頁/共89頁∵uSA=uSB=u，RA=RB=R，IA=IB=I，

UA=u-IARA=u-IR，

UB=u-IBRB=u-IR，

∴UA=UB，UAB=0，

I2=0，I1=IA=IB=I，

RD上得到的功率PD=0

第9頁/共89頁

在匹配的狀態(tài)下（RC=R/2），每一信號(hào)源送出的功率為I2R（I為有效值），負(fù)載RC得到的功率為

PC=（2I1）2RC=（2I）2R/2=2I2R，為A、B兩點(diǎn)注入功率之和。

C點(diǎn)對(duì)地電壓：UC=2IR/2=IR

∵uI=2I2R，u=2IR

∴UA=UB=u-IR=2IR-IR=IR=UC，說明A、B、C三點(diǎn)同電位。

第10頁/共89頁2、

A端和B端同時(shí)加入同頻、同相、大小不等的高頻信號(hào)

變壓器兩繞組的匝數(shù)相等，分析時(shí)可認(rèn)為兩繞組的電壓大小相等，電流相等（相對(duì)于同名端而言方向相反）。

第11頁/共89頁

根據(jù)等效電路圖可得到以下關(guān)系（注意：矢量關(guān)系）：

IA=I1+I2

（1-1）

IB=I1-I2，（1-2）

UA=UAC+2I1RC=UAC+I1R（1-3）

UB=UBC+2I1RC=-UCB+I1R（1-4）

第12頁/共89頁

將式（1-3）和（1-4）相加，得

UA+UB=2I1R（1-5）

∴I1=（UA+UB）/2R（1-6）

而由RD支路可知：

I2=（UA-UB）/2R（1-7）

第13頁/共89頁功率關(guān)系：

設(shè)兩信號(hào)源對(duì)外供出的功率分別為

PA=U2A/R和PB=U2B/R，RC上得到的功率PC

：

PC=（2I1）2RC=[2（UA+UB）/2R]2R/2

=1/2（U2A/R+U2B/R）+UAUB/R

=1/2（PA+PB）+

（1-8）

第14頁/共89頁在RD上得到的功率PD：

PD

（1-9）

第15頁/共89頁由（1-8）和（1-9）可知，當(dāng)UA=UB時(shí)，

PA=PB，

PC=PA+PB=2P，

PD=0第16頁/共89頁

當(dāng)信號(hào)源的幅度不相等，例如令PA=2PB，盡管相差2倍，經(jīng)計(jì)算可知，PC=2.9PB(占全部功率的96.67%),PD=0.1PB(占全部功率的3.33%)，負(fù)載仍能得到絕大部分功率。第17頁/共89頁

在PB=0（或PA=0）的特殊情況下，則，PC=0.5PA，PD=0.5PA，即RC和RD各得到一半功率。這種情況代表利用兩個(gè)晶體管進(jìn)行同相功率合成時(shí)，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(fù)載PC，另一半消耗在RD上，負(fù)載上得到的功率只有雙管工作時(shí)的1/4。第18頁/共89頁3、

A端和B端同時(shí)加入同頻、幅度相同、相位不同的高頻信號(hào)

設(shè)兩信號(hào)源對(duì)外供出的功率分別為PA=U2A/R和PB=U2B/R兩個(gè)高頻信號(hào)之間的相位差為θ。

第19頁/共89頁RC上得到的功率PC

：

PC

（1-10）

RD上得到的功率PD：

PD

(1-11)

第20頁/共89頁

若θ=300,

則PC=PB+0.89PB=1.89PB(占94.5%)

PD=PB+0.89PB=0.11PB(占5.5%)

第21頁/共89頁特例：θ=1800（即反相激勵(lì)），則根據(jù)（1-10）和(1-11)

PC

（1-12）

PD

（1-13）

此時(shí)，信號(hào)功率將在RD上合成，如PA=PB，RC上得到的功率為0。

第22頁/共89頁二、

功率分配網(wǎng)絡(luò)

（一）、同相功率分配

第23頁/共89頁同相功率分配網(wǎng)絡(luò)（RC為信號(hào)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）

第24頁/共89頁

忽略RC后的等效電路

第25頁/共89頁在匹配狀態(tài)下，得到下列關(guān)系：

IA=I1-I2

（1-14）

IB=I1+I2，（1-15）

∵UAC+U=IARA

及UCB+IBRB=U

得UAC=IARA-U（1-16）

UCB=-IBRB+U（1-17）

第26頁/共89頁（1-16）與（1-17）相加：

UAC+UCB=UAB=IARA-IBRB=I2RD

（1-18）

（1-16）與（1-17）相減：

IARA-2U+IBRB=0(UAC=UCB)

（1-19）

第27頁/共89頁將式（1-16）—

（1-19）聯(lián)立，解得四個(gè)電流分別為

IA=2U(RD+2RB)/(RARD+RBRD+4RARB)

(1-20)

IB=2U(RD+2RA)/(RARD+RBRD+4RARB)

(1-21)

I1=2U(RA+RB+RD)/(RARD+RBRD+4RARB)

(1-22)

I2=2U(RA-RB)/(RARD+RBRD+4RARB)

(1-23)

第28頁/共89頁

令RA=nR,RB=R,RD=2R(R=Z0,為傳輸線的特性阻抗)，得：

IA=4U/(3n+1)R(1-24)

IB=2(n+1)U/(3n+1)R(1-25)

I1=(n+3)U/(3n+1)R(1-26)

I2=(n-1)U/(3n+1)R(1-27)

第29頁/共89頁

根據(jù)式(1-24)和(1-25)，得：

IA=[2/(n+1)]IB

（1-28）

I2=[(n-1)/2（n+1）]IB

（1-29）

PA =IA

2RA

={[2/(n+1)]IB}2nR

=4n/(n+1)2·IB

2R

=[4n/(n+1)2]·PB

(1-30)

PD=I2

2RD=(1/2)·(n-1)2/(n+1)2

·PB

(1-31)

第30頁/共89頁

當(dāng)n=1時(shí)，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(jì)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。第31頁/共89頁（二）、反相功率分配

反相功率分配網(wǎng)絡(luò)及等效電路如圖

第32頁/共89頁這里，內(nèi)阻為RD的信號(hào)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(dá)式。

如果RA=RB=R,RC=R/2時(shí)，PA=PB（二者的高頻電壓相位相反）

，PC=0。

第33頁/共89頁第二節(jié)

帶狀線定向耦合器

功率合成與分配

第34頁/共89頁

一、3dB帶狀線定向耦合器

帶狀線定向耦合器是一個(gè)四端口器件，線長為中心頻率所對(duì)應(yīng)的波長的1/4，各端口都接以匹配負(fù)載。若信號(hào)源由端口1接入，則端口2、4有輸出，而3端沒有輸出。

第35頁/共89頁

帶狀線定向耦合器結(jié)構(gòu)示意圖第36頁/共89頁帶狀線定向耦合器有如下特性：

（1）、若信號(hào)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。

第37頁/共89頁

（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，稱為功率耦合系數(shù)C0=K20=|U2/U1|2，通常用dB表示為：

C0=10lg|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：

20lg|U2/U1|=10lg|U2/U1|2=-3dB

（2-3）第38頁/共89頁（3）、輸出端4的U4與U1的關(guān)系：

U4

（2-4）

P4/P1=|U4/U1|2=0.5,10lgP4/P1=-3dB

(2-6)

第39頁/共89頁(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=10lg|U2/U3|2=10lgP2/P3dB

(2-7)

在理想情況下，U3=0，D為無窮大。實(shí)用中一般對(duì)D提出一個(gè)起碼的要求，例如要求大于35dB。

第40頁/共89頁（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(dāng)于反射電壓小于0.0476入射電壓)。第41頁/共89頁二、3dB帶狀線定向耦合器

功率合成與分配

（一）、功率分配

第42頁/共89頁3dB定向耦合器功率分配第43頁/共89頁

將輸入信號(hào)U1（振幅值）加于端口1，各端口功率關(guān)系如下：

P1=U12/2R

P2= =(1/2)P1

P3=0

P4= =(1/2)P1

2端和4端各分得一半的輸入功率,實(shí)現(xiàn)了功率分配(但電壓相位差900)第44頁/共89頁（二）功率合成

將兩個(gè)相位差900的信號(hào)源分別加在3dB定向耦合器的兩個(gè)相互隔離端,例如2端和4端,則可實(shí)現(xiàn)在3端的功率合成。

第45頁/共89頁3dB定向耦合器功率合成第46頁/共89頁設(shè)

,

,對(duì)于u2而言,

1端為耦合端,得到同相的耦合電壓

U1

而3端為直通端,得到落后900的直通電壓

U3

第47頁/共89頁對(duì)于u4而言,3端為耦合端,得到同相的耦合電壓

U3”=U4，而1端為直通端,得到落

后900的直通電壓

U”1=U4

第48頁/共89頁因此,在兩個(gè)電源的共同作用下,當(dāng)U2=U4=U時(shí)：

1端的輸出電壓為U1=U1+U”1=

U2+U4=0，

3端的輸出電壓為U3=U3+U”3=

U2+U4=U。

第49頁/共89頁端口2和4輸入功率分別為：

P2=(1/2)U2/R，P4=(1/2)U2/R

1端輸出功率為P1=0；

3端輸出功率為P3=(1/2)（U）2/R

=2P2=2P4

當(dāng)U2和U4相位差900，但U2≠U4時(shí)，會(huì)有少量的功率傳到1端的吸收電阻而被消耗掉。

第50頁/共89頁第三節(jié)

調(diào)頻與電視廣播用

雙工器與多工器

第51頁/共89頁

調(diào)頻廣播或電視廣播發(fā)射機(jī)，可借助雙工器或多工器，實(shí)現(xiàn)不同頻率的信號(hào)功率的合成，共用一條饋線和一套天線。

第52頁/共89頁一、等臂3dB橋雙工器和多工器

（一）、等臂3dB橋?yàn)V波式雙工器

分別將兩個(gè)3dB耦合器和濾波器對(duì)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。

第53頁/共89頁1、等臂3dB橋帶阻式雙工器

第54頁/共89頁等臂3dB橋帶阻式雙工器構(gòu)成

第55頁/共89頁

圖像信號(hào)由3dB定向耦合器I送入，經(jīng)耦合器I進(jìn)行功率分配（兩路電壓相差900），兩個(gè)帶阻（對(duì)伴音而言）濾波器對(duì)圖像信號(hào)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(shí)現(xiàn)功率合成。

第56頁/共89頁

伴音信號(hào)由3dB定向耦合器II送入，經(jīng)進(jìn)行功率分配，兩路電壓相差900，沿著等臂長向兩個(gè)帶阻(對(duì)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(jìn)行功率合成。

第57頁/共89頁

帶阻濾波器并非理想，漏過的伴音信號(hào)送入耦合器I，在吸收電阻R0上合成而消耗掉，而不會(huì)送到圖像發(fā)射機(jī)。等臂3dB橋帶阻式雙工器既實(shí)現(xiàn)了在天線上的功率合成，又使圖像發(fā)射機(jī)和伴音發(fā)射機(jī)相互隔離。

第58頁/共89頁2、等臂3dB橋帶通式雙工器

第59頁/共89頁等臂3dB橋帶通式雙工器構(gòu)成

第60頁/共89頁

與等臂3dB橋帶阻式雙工器不同，一是將圖像與伴音信號(hào)的位置相互對(duì)調(diào)，二是兩個(gè)濾波器對(duì)伴音信號(hào)是帶通（對(duì)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(hào)在天線合成。

第61頁/共89頁3、實(shí)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(duì)鄰頻道的干擾，是實(shí)際的圖像與伴音雙工器要考慮的問題。

第62頁/共89頁實(shí)用的電視廣播雙工器

第63頁/共89頁組成部分：3dB定向耦合器I和II，兩個(gè)伴音反射器，兩個(gè)（fv

–4.43MHz）頻率成分反射器，一個(gè)吸收電阻R0。

第64頁/共89頁工作原理如下：

圖像信號(hào)：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(hào)。反射元件對(duì)圖像信號(hào)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(jī)。

第65頁/共89頁

伴音信號(hào)：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(hào)，由于伴音反射器對(duì)伴音信號(hào)呈短路狀態(tài)，兩路信號(hào)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(jī)。第66頁/共89頁

實(shí)際上伴音反射器對(duì)伴音信號(hào)不可能實(shí)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(huì)影響圖像發(fā)射機(jī)，在耦合器I的3端相疊加，被吸收電阻吸收。

第67頁/共89頁

圖像發(fā)射機(jī)送來的圖像信號(hào)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(jī)，在3端疊加而被吸收電阻吸收。第68頁/共89頁（二）、等臂3dB橋?yàn)V波式多工器

由兩個(gè)等臂3dB橋可構(gòu)成三工器，可以實(shí)現(xiàn)三種不同頻率的信號(hào)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。

第69頁/共89頁1、等臂3dB橋帶阻式三工器

第70頁/共89頁等臂3dB橋帶阻式三工器原理圖

第71頁/共89頁

第一個(gè)3dB橋中的濾波器對(duì)伴音信號(hào)來說是帶阻，對(duì)圖像信號(hào)來說是帶通；伴音和圖像信號(hào)先在第一個(gè)3dB橋中合成后，送入第二個(gè)3dB橋，再與FM信號(hào)在天線合成。第二個(gè)3dB橋中的濾波器對(duì)FM信號(hào)是帶阻，對(duì)圖像與伴音信號(hào)來說是帶通。

第72頁/共89頁

2、等臂3dB橋帶通式三工器

第73頁/共89頁等臂3dB橋帶通式三工器原理圖第74頁/共89頁二、星形雙工器

最簡單的星形雙工器適用于調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)。第75頁/共89頁

陷波器組成的星形雙工器

第76頁/共89頁

陷波器N2對(duì)信號(hào)f1呈現(xiàn)高阻抗，而陷波器N1對(duì)信號(hào)f1形成串聯(lián)諧振，呈現(xiàn)極低阻抗，相當(dāng)于λ1/4傳輸線的負(fù)載為0，其輸入阻