射频功率合成的原理

射频功率合成的原理

作者：王保梁

来源：《电子技术与软件工程》2018年第06期

摘要在广播电视事业的发展进程中，大功率全固态发射机以其体积小，结构设计紧凑、运行稳定和高效可靠的特点，已成为发射机市场的主流。

【关键词】发射功率分配网络功率合成

在发射机中，要获得较大的发射功率，单个电子器件所能输出的功率无法满足需要，所以在功放单元必须采用功率合成技术。功率合成技术就是利用多个功率放大电路同时对输入信号进行放大，然后设法将各个功放的输出信号相加，这样得到的总输出功率可以远远大于单个功放电路的输出功率。

1 功率合成的特性

利用功率合成技术可以获得几百瓦甚至上千瓦的高频输出功率。理想的功率合成器不但应具有功率合成的功能，还必须在其输入端使与其相接的前级各率放大器互相隔离，即当其中某一个功率放大器损坏时，相邻的其它功率放大器的工作状态不受影响，仅仅是功率合成器输出总功率减小一些。即一个良好的功率合成网络也应具有两个特性：

（1）功率叠加且合成时功率损耗最小;

（2）隔离特性，即两个合成源放大器互不影响工作状态。

图1为采用7个功率增益为2，最大输出功率为10 W的高频功放，利用功率合成技术，可以获得40W的功率输出。其中采用了3个一分为二的功率分配器和3个二合一的功率合成器。功率分配器的作用在于将前级功放的输出功率平分为若干份，然后分别提供给后级若干个功放电路。很显然，讨论功率合成技术，首先应该讨论功率分配和功率合成网络。

2 功率合成与分配网络

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。

图2所示的网络即具有上述特性，既可以作功率分配，又可作功率合成。

2.1 网络结构特点

图2网络由4：1传输线变压器和相应的AO、BO、CO、DD四条臂组成，其中DD臂是平衡臂，臂的两端均不接地。

传输线变压器的特性阻抗Ze和每条臂上的阻值满足以下关系：

Zc=Ra= Rb= Re

Rc=l/2 R Rd=R

2.2 网络功能

2.2.1 功率分配

（1）同相分配。信号源接在co臂，图3 （a）。其输出功率同相地（见图3中Ia、Ib方向，均流向地）平均分配给AO、BO臂上的负载，DD臂上无电流。即CO臂与DD臂相互隔离。

由电路可知，当Ra= Rb=R时，电路对称，VA=VB因而Id =O。己知传输线变压器的始端电压与终端电压相等，即VCA=VBA，而VB-VA=VBC-VCA，所以必有VCA= VBC=O，传输线上无电压。可将传输线变压器的A、B、C三个点短路，得到图3 （b）电路。可见在规定的各臂阻值条件下，信号源与负载匹配，co臂上信号源输出额定功率，AO、BO上获得同相等功率信号：

（2）反相分配。信号源接在DD臂，见图4。其输出功率反相地（见图4（a）中Ia、lb 方向）分配给AO、BO臂上的负载，00臂上无电流。由电路可知，当Ra= Rb=R时，电路对称，VC=VD，IC=O。由于传输线上两电流相等，因此有I+I= IC=O，传输线上无电流。可将传输线开路，得图4 （b）等效电路。可见在规定的各臂阻值下，信号源与负载匹配。信号源输出额定功率，AO、BO上获得反相等功率输出。

2.2.2 功率合成

见图5所示。

AO、BO上接有相同的信号源Va=Vb=V，且内阻为R。设各臂的电流方向如图示，则有

Ia=l+lbld=l-Id

将上面两式相加或相减，分别得到

Ia+lb=21=1e及Id=l/2 （Ia-Id）

设AO、BO两臂的信号源的正负极性如图5 （a）所示，称之为同相源，则此时电流Ia、Ib、为正。

由于电路对称，所以Ia=lb，则Id=0。可见与同相分配时的道理一样，可以将电路等效为图5 （b）所示。CO臂上的1/2R可以看作两个电阻R的并联，所以AO、BO两支路上的信号源均工作于匹配状态，输出额定功率。

Pco=PAO+PB0=2V2/4R

鉴于AO、BO为同相源，故称为同相功率合成。

若AO、BO两臂的信号源为反相源，则Ib为负，因此

Ic=21=0

传输线上无电流，可将其开路，得到图5（C）。Id=la.AO、BO两臂上的两信号源工作于匹配状态，它们的输出功率在DD臂上合成。输出功率为

PDO=PAO+PB0=2V2/4R

鉴于AO、BO为反相源，故称为反相功率合成。

2.2.3 隔离特性

由功率分配的特性中可以看出co臂与DD臂是互相隔离的。可以证明，功率合成与分配网络的AO臂和BO臂同样也是互相隔离的。此隔离特性的含义是：在功率合成时，AO、BO 两臂中任何一臂发生变化，不影响另一臂的工作状态，即不影响它的负载情况，因而仍输出额定功率。在功率分配时，两臂中的任一臂变化，不影响另一臂得到的功率大小。下面简单证明此特性。

（1）功率合成时的隔离。若AO上接信号源Va，见图6（a）。可以证明Va在BO臂上不产生电流。

将电路在B、O两点断开，如图6（b）所示，求开路电压VBO。

由传输线变压器的4：1阻抗变换功能，将图6 （b）等效为图6（c）。由于AC和CO支路电阻相等则有

VAC=VCO。

由于传输线变压器的始、终端电压相等，即VCA=VBC。所以有

VBO=VBC+VCO=-VAC+VCO=O