第一章功率电子线路

在A点: iA i1 iD
在B点: iB i1 iD
上二式相减，得:2iD iA iB
＋
＋
v
＋
v
vd
－
－
－
因为：iA iB I sin t,vA vB U sin t
iD 0 所以 :vD =0, iC 2i1 iA iB 因为： vA vB
1：1传输线变压器具有最大的功率输出。但实际上，在各种放大电路
中RL正好等于信号源内阻的情况是很少的。因此，1：1传输线变压器很少 用作阻抗匹配元件，而更多的是用来作为倒相器，或进行不平衡-平衡以及
平衡-不平衡转换。
1、3传输线变压器的应用
(2) 1：4和4：1传输线变压器
1：4传输线变压器是把负载阻抗降为1/4倍以便和信号源相匹配。在负
iC 2i1 iA iB＝0 iD iA iB
u1 U , u3 uc 0, u4 U , 所以，R D两端的电压uRD 2U
RD上获得功率为
PD

1 2
I
D
(2U
)

2

1 2
UI
A


2

1 2
UI B

A、B两端每边的输入功率为: PA PB PD PA PB
1源自文库同相功率分配：
ic 2i
ia i id ib i id
vd id Rd ia Ra ib Rb
id
i
Ra Rb Rd Ra Rb

1 2 ic
Ra Rb Rd Ra Rb
当Ra Rb R时，id 0, ia ib i ic 2
图1-1传输线等效电路
二、 高频传输线变压器
普通变压器上、下限频率的扩展方法是相互制约的。为了扩展下限 频率, 就需要增大初级线圈电感量, 使其在低频段也能取得较大的输入 阻抗, 如采用高导磁率的高频磁芯和增加初级线圈的匝数, 但这样做将 使变压器的漏感和分布电容增大, 降低了上限频率；为了扩展上限频率, 就需要减小漏感和分布电容, 减小高频功耗, 如采用低导磁率的高频磁 芯和减少线圈的匝数, 但这样做又会使下限频率提高 。
u平大1=衡 器u2口 等和： 。i1=若i2两。端都不接地，则称为平衡口，如：双端输入输出i1 的差分对放
如果传输线的特性阻抗：
Rs
u1
u2
传输线输出端的等效阻抗为：
i2
RL
us
输入端（1、3端）的等效阻抗为 ：
为了实现传输线变压器与负载的匹配，要求：
为了实现信号源与传输线变压器的匹配，要求： 1：1传输线变压器，最佳匹配状态应该满足 ： 满足最佳功率传输条件的传输线特性阻抗为：
Rc Rc

iA iB

vA
RD 4 RC RDRC
vB
RD 4
RC
RDRC


vB
RD 4 RC RDRC
vA
RD 4 RC RDRC
若RC

1 4
RD ,
i A仅与v A有关，iB 仅与vB有关，且每个功率放大器
的等效负载均为R D /2或2RC。
同理，当其中一个激励信号源为零时，单一输
vA vB 2v 所以两绕组上的电压：v 0, vC vB v vA
RC上获得功率为:
PC

1 2IU
2
2

1 2
I AU


2

1 2
I BU

因此: PC PA PB
RS

RA

RB
U
/I

1 2
2U I
2RC
由此可见，当A、B两端为同相激励时，C端RC上获得功率为
（2）、当 ZC RL RS ：两导线间电压处处相等，相位相同；
5、传输线在高频情况下的等效电路
对于传输线来说，可以看成是由许多电感、电容组成的耦合链， 如图1-1所示。电感为导线每一段的电感量，电容为两导线间的分布电 容。当信号源加入1、3端时，由于传输线间电容的存在，信号源将对 电容充电，使电容储存电场能。电容通过临近电感放电，使电感储存 磁场能，即电场能转变为磁场能。然后电感又向后面的电容进行能量 交换，即磁场能转换成电场能。再往后电容又与后面的电感进行能量 交换，如此往复下去。输入信号就以电磁能交换的形式，自始端传输 到终端，最后被负载吸收。
（4）、A、B加有同相激励电压，则C端有合成功率输出， 而D端无输出；
根据传输线变压器两线圈中的
电流大小相等，方向相反的原则在
图中表示出各个电流的流向。
在A点：iA i1 iD 在B点：iB iD i1
当两功率放大器提供等值反向功率，即：
iA iB = Isint，vA vB = U sint：
严格地说，传输线变压器在高频段和低频段上，传送能 量的方式是不同的。在高频时，主要通过电磁能交替变换的 传输线方式传送，在低频时，将同时通过传输线方式和磁耦 合方式进行传送。频率越低，传输线传输能量的效率就越差， 就更多地依靠磁耦合方式来进行传送。
不如(11平：)、1衡共1：3：口射传11传：、传输输某共输线线一基线变变网放变压络大压压器端器器器，口等的又的。应叫两用倒点相，变如压果器有。一当端传是输接线地无的损，时则，称可为以不认平为衡口，
D端没有功率，A端和B端获得等值同向功率，C
端等效负载为Ra 和Rb 并联值，即R/2。
反相功率分配：
同样分析可证明，当 Ra Rb R 时： ic 2i 0, ia ib id
C端没有获得功率，A端和B段获得等值反向功率。由于 i=0，D端呈现的等效负载电阻为Ra和Rb之和，即2R。
PA PB ，D端无功率输出。
当ia ib, va vb,即两功率放大器 提供不等值功率时：
v2,4 v1,3 vD 2 , vD iDRD , vc icRc , ic 2i1
vA

v1,3
vc

1 2
iD RD

2i1Rc
vB
v2,4
vc

1 2
iD
载匹配的条件下，有
i1+ i2
i1
i
i1
i1+ i2
u1=u2=u和，i1=i2=i 由于变压器的1端与
4
端
相
连
，
Rs
u1
输入端1端与3端的电压为u， us
u2
Rs u1
u2
i2 RL 2u
us
i2
RL
负 载 RL 上 的 电 压 为 u1+u2=2u ， 输入端1的电流为i1+i2=2i，且
i
u2
入的激励功率将在 RC 和 RD上平分功率。非激励端则
无输出，即A、B两点互相隔离。
3．功率分配网络
最常见的功率分配网络是功率二分配器。这种 分配网络有两个负载端。当信号源在C或D端向网 络输入功率为P时，A、B端获得的功率为P/2。
同相功率分配：功率放大器接C端， A、B端接负载，如图a 反相功率分配：功率放大器接D端， A、B端接负载，如图b
常用的宽带匹配网络是传输线变压器, 它可使功放的最高频率扩 展到几百兆赫甚至上千兆赫, 并能同时覆盖几个倍频程的频带宽度。 由于无选频滤波性能, 故宽带高频功放只能工作在非线性失真较小的 甲类或乙类状态, 效率较低。所以, 宽带高频功放是以牺牲效率来换 取工作频带的加宽。
利用传输线变压器可以组成各种类型的功率分配器和功率合成器, 且 具有频带宽、 结构简单、插入损耗小等优点, 然后可进一步组成宽频带 大功率高频功放电路。
+
2u RL
u1 Rs
传输线变压器的输入阻抗为 ：
Rs u1
-
us
us
u2
RL
传输线变压器把负载RL变换为RL/4，实现了1：4的阻抗变换。 如果把输入端和输出端对调就成为4：1传输线变压器。4：1传输线变
压器把负载阻抗升高4倍和信号源匹配，由电压电流关系不难证明该变压器 具有4：1的阻抗变换作用。用n个1：1传输线变压器，可得到 (n 1)2 :1 的阻抗变
1．1结构和原理 传输线变压器是在传输线和变压器理论基础上发展起
来的新元件。它用高频性能良好的、高导磁率的铁氧体材 料作为磁芯。用相互绝缘的等长双导线(同轴电缆、双股 线或带状线)均匀地在矩形截面的环形磁芯上统制而成， 如图1-2(a)所示。
RL
Rs
u1
u2
Rs
Rs
us
RL us
u1 u2
RL
us (a) 结构示意图
RD
2i1Rc
在A点：iA i1 iD 在B点：iB iD i1
1
1
iD
vA iA vB iA
2 iA iB , i1 2 iA

1 4
RD

Rc


iB

1 4
RD

1 4
RD

Rc


iB

1 4
RD
iB
RL = U IA RD 2U I D
RD上获得的功率等于A、B两端输出功率之和，而RC上没有消
耗功率，每个信号源的等效负载电阻为 RL RA RB RD / 2
(2)同相激励合成网络 图1-2-2所示是一个同相激励功率合成器。由图可见，
A、B两端加以同相激励电压。
图1-2-2 同相激励功率合成器
2、对功率合成器的要求是：
（1）如果每个放大器的输出幅度相等，供给匹配负载的额
定功率均为Pi ，放大器在负载上的总功率应为nPi 。
（2）合成器的输入端应彼此相互隔离，其中任何一个功率 放大器损坏或出现故障时，对其他放大器工作状态不发生影 响。
（3）、当一个或数个放大器损坏时，要求负载上的功率下降要 尽可能的小。 （4） 、满足宽频带工作要求。在一定通带范围内，功率输出要 平稳，幅度及相位变化不能太大，同时保证阻抗匹配要求。
（2）、高频工作：即信号波长与导线长度可以比拟时，两导线上的固 有分布电感和线间分布电容的影响就不能忽略，上限频率与其长度L有 关，L越小，上限频率越高；
2、传输线上每点的电压不仅是时间函数，也是距离函数； 3、传输线本身不消耗能量，输入能量全部转移到负载； 4、传输线特性：
（1）、传输线任意一点，两导线流过的电流大小相等，相位相反；
无论哪种功率分配电路，当 Ra Rb 时：
2．功率合成网络
图所示是一个反相 激励功率合成网络。由 图可见，A、B两端加以 反相激励电压。
(1)A、B端加反向激励，C 端无输出，D端功率合成；
(2)为满足功率合成条件， 四个电阻应满足：
RA

RB

2RC

1 2
RD
图1-2-1 反相激励功率合成网络
（3）、A、B端隔离，互不影响：
当只有A端激励时，C，D有相等的功率输出；
(b) 原理电路图
(c) 普通变压器的原理电路
图1-2 传输线变压器的结构与电路
RL
Rs
Rs
u1
us
u2
Rs
RL us
u1 u2
RL
us (a) 结构示意图
(b) 原理电路图
(c) 普通变压器的原理电路
图(b)是传输线等效电路，信号电压由l、3端把能量加到传输线变压 器，经过传输线的传输，在2、4端将能量馈给负载。
图(c)是普通变压器的电路形式。由于传输线变压器的2端和3端接地， 所以这种变压器相当于一个倒相器。
传输线变压器和普通变压器传递能量的方式是不相同的。
对于普通变压器来说，信号电压加于初级绕组的1、2端，使初级线圈 有电流流过，然后通过磁力线，在次级3、4端感应出相应的交变电压，将 能量由初级传递到次级负载上。
传输线方式的信号电压却加于1、3端，能量在两导线间的介质中传播， 自输入端到达输出端的负载上。
1、2工作方式
在传输线变压器中，线间的分布电容不是影响高频能量 传输的不利因素，反而是电磁能转换的必不可少的条件。
电磁波主要是在导线间介质中传播的，因此磁芯的损耗 对信号传输的影响也就大为减小。传输线变压器的最高工作 频率就可以有很大的提高，从而实现宽频带传输的目的。
换器。
小结
传输线变压器应用：
倒相变压器； 转换器：进行不平衡-平衡以及平衡-不平衡转换； 阻抗变换器； 功率合成与分配
2、功率合成和分配网络
1、高频功率合成的一般概念 功率合成电路的原理是用N个相同的功率放大器，通
过混合电路使其输出功率在公共负载上叠加起来，即总输
出功率。PL nPi
第一章 功率电子线路
第一节 功率合成技术
要点： 传输线变压器的原理、功率合成原理

用途：
通信和其他功率电子系统中，具有隔离、 对称与不对称变换和阻抗变换作用。
特点： 结构简单、轻便、廉价，频带很宽
1、 高频传输线变压器
一、传输线
1、指连接信号源和负载的两根导线；
（1）、低频工作：即信号波长远大于导线长度时，传输线就是两根普 通的连接线，因此它的下限频率为零；(传输线变压器,下限频率取决 于初级绕组电感量)