1、第十章 功率合成與分配技術(shù)中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院2007年10月,功率合成： 通過功率合成網(wǎng)絡(luò)，將多個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)，將高頻信號功率均勻、互不影響地同時分配給多個獨立的負載，使每個負載獲得功率相等、相位相同（或相反）的信號。,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) 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。,

2、一、 功率合成網(wǎng)絡(luò),1、A端和B端同時加入同頻、同相、大小相等的高頻信號 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,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 =0,在匹配的狀態(tài)下（RC = R /2），

3、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）2 RC=（2 I）2 R/2=2 I2 R，為A、B兩點注入功率之和。 C點對地電壓 ：UC =2IR/2= IRu I=2 I2R，u =2 IRUA=UB = u- IR=2 IR- IR= IR= UC ，說明A、B、C三點同電位。,2、 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）。,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）

4、UA = UAC +2I1RC= UAC+ I1R （1-3） UB = UBC +2I1RC= -UCB+ I1R （1-4）,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）,功率關(guān)系： 設(shè)兩信號源對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）/2R2 R/2 =1/2 （U2A /R + U2B /R ）+ UAUB/R = 1/2 （PA +PB）+ （1-8）,在RD

5、上得到的功率PD： PD （1-9）,由（1-8）和（1-9）可知，當(dāng)UA=UB時， PA =PB， PC = PA +PB = 2P， PD =0,當(dāng)信號源的幅度不相等，例如令PA=2PB，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

6、載上得到的功率只有雙管工作時的1/4。,3、 A端和B端同時加入同頻、幅度相同、相位不同的高頻信號 設(shè)兩信號源對外供出的功率分別為PA= U2A /R 和 PB= U2B /R 兩個高頻信號之間的相位差為 。,RC上得到的功率 PC ： PC （1-10）RD上得到的功率PD： PD (1-11),若=300,則PC =PB +0.89PB=1.89 PB (占94.5%) PD = PB +0.89PB=0.11 PB (占5.5%),特例：=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

7、得到的功率為0。,二、功率分配網(wǎng)絡(luò) （一）、同相功率分配,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）,忽略RC后的等效電路,在匹配狀態(tài)下，得到下列關(guān)系： IA= I1-I2 （1-1 4） IB= I1+I2， （1-15）UAC + U= IARA 及UCB + IBRB =U 得UAC = IARA- U （1-16） UCB =-IBRB +U （1-17）,（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 =

8、 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),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

9、= 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),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 2 RA =2 / (n+1) IB 2 nR=4n/(n+1)2 IB 2R=4n/(n+1)2PB (1-30)PD = I2 2 RD =(1/2) (n-1)2 /(n+1)2 PB (1-31),當(dāng)n=1時，即RA = RB =R ： IA = I

10、B ，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。,（二）、反相功率分配反相功率分配網(wǎng)絡(luò)及等效電路如圖,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。,第二節(jié)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 帶狀線定向耦合器是一個四端口器

11、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,帶狀線定向耦合器有如下特性：（ 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，稱為功率耦合系數(shù)C0= K20= |U2/U1|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.

12、5 P1 , 用dB表示的耦合度： 20 lg |U2/U1|=10 lg |U2/U1|2=-3dB （2-3）,（3）、輸出端4的 U4與U1的關(guān)系： U4 （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。,（5）、電壓駐波比（VSWR）： 電壓駐波比的定義為：V

13、SWR=（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)。,二、3dB帶狀線定向耦合器功率合成與分配（一）、功率分配,3 dB定向耦合器功率分配,將輸入信號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=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 將兩個相位差900的信號源分別加在3 dB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

14、dB定向耦合器功率合成,設(shè) , , 對于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,對于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,因此,在兩個電源的共同作用下,當(dāng)U2=U4=U時：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 。,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

15、）2 / R =2 P2= 2P4 當(dāng)U2和U4相位差900，但U2U4時，會有少量的功率傳到1端的吸收電阻而被消耗掉。,第三節(jié)調(diào)頻與電視廣播用 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（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,等臂3 dB橋帶阻式雙工器構(gòu)成,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

16、（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。,伴音信號由3 dB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。,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,等臂3 dB 橋帶通式雙工器構(gòu)成,與等臂3 dB橋帶阻式雙工器不同，一

17、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。,3、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。,實用的電視廣播雙工器,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）頻率成分反射器，一個吸收電阻R0。,工作原理如下： 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

18、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。,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。,圖像發(fā)射機送來的圖像信號

19、中的fv4.43MHz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。,（二）、等臂3 dB 橋濾波式多工器 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,等臂3 dB 橋帶阻式三工器原理圖,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3 dB 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。,2、等臂3 dB 橋帶通式三工器,等臂3 dB 橋帶通式三工器原理圖,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。,陷波器組成的星形雙工器,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(dāng)于1/4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。,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。