1.4 功率合成技术

v 1 2v 1 Zc = = = RL i 2 i 2
1.4.3 用传输线变压器构成的 魔 T 混合网络
一、功率合成
输入信号接在 A 端和 B 端，根据节点 方程
i = ia - id，i = id - ib
i = ia - id，
求出
i = id - ib
1 id = ( ia ib ) 2 i=
1.4.2 传输线变压器
一、变压器和传输线的工作频带
高频变压器：由于线圈的漏感和匝间分布电容的作用， 其上限频率只能工作在几十兆赫，下限频率受有限激磁电 感量的限制。 传输线：传输线就是连接信号源和负载的两根导线， 它的上限频率与导线长度 l 有关，l 越小，上限频率 fH 越 高。当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，它的下限频率为零。
2．输入为等值同相信号 ia = -ib = Imsin t， va = -vb = Vmsin t 因为 id = 0， 所以 D 端无功率输出。 vc = va = -vb = Vmsin t， ic = ia - ib = 2Imsin t 每个功率放大器的等效负载
va vb vc RL = = = = 2 Rc ia ib ic / 2
2．输入为等值同相信号 ia = -ib = Imsin t， va = -vb = Vmsin t 因为 id = 0 所以 D 端无功率输出。 vc = va = -vb = Vmsin t， ic = ia - ib = 2Imsin t
C 端的输出功率
2Vm I m Pc = = Pa Pb 2 输出功率为 A 端输入功率和 B 端输入功率的和。
因为 ic = 0，所以 C 端无功率输出。 1 vd = va vb = 2Vmsin t， id = ( ia ib ) = I m sin t 2
ia = ib = Imsin t， va = vb = Vmsin t 因为 ic = 0 所以 C 端无功率输出。 vd = va vb = 2Vmsin t， 1 id = ( ia ib ) = I m sin t 2 D 端的输出功率 2Vm I m Pd = = Pa Pb 2 输出功率为 A 端输入功率和 B 端输入功率的和。 每个功率放大器的等效负载 va vb vd / 2 Rd RL = = = = ia ib id 2
图 1–4–9
功率分配电路
(b) 反相
三、另一种混合网络
三、传输线变压器功能 1．对称与不对称变换
对称 – 不对称变换，将对地对称的双端输入信号转换 为对地不对称的单端输出信号，如图 1–4–6(a)所示。
图 1-4-6 对称与不对称变压器
(a) 对称-不对称 (b) 不对称-对称
不对称 – 对称变换，将对地不对称的单端输入信号转 换为对地对称的双端输出信号，如图 1–4–6(b)所示。
A，B 两端输入等值 同相功率，C 端负载 Rc 获得两输入功率的合成， 而 D 端负载 Rd 上无功率 输出。 A、B 两输入端输入 等值反相功率，D 端负载 Rd 获得两输入功率的合 成，而 C 端负载 Rc 上 无功率输出。
二、彼此隔离
当 Rd 和 Rc 之间满 足特定关系时，A、B 两 输入端彼此隔离，任一端 功率放大器的工作状态变 化或损坏时，不会影响另 一端功率放大器的工作状 态，并维持原输出功率。
传输线如图 1–4–3 所示。
设上限频率 fH 对应的 波长为 min ,取
1 1 l = ~ min 8 10 **可以认为： 在上限频
率范围内，线上电压和电 流出处相等。（ 条件：传输
线是无损耗的，即Rs=RL=Zc）
v1 = v2 = v， i1 = i2 = i
图 1-4-3 传输线
第1章
1.4
功率电子线路
功率合成技术
1.4.1 功率合成电路的作用
1.4.2 传输线变压器 1.4.3 用传输线变压器构成的魔 T 混合网络
1.4.1 功率合成电路的作用
功率合成技术就是将 多个功率放大器的输出功 率叠加起来，给负载提供 足够大的输出功率。
一、功率合成
A，B 两端输入等值 同相功率，C 端负载 Rc 获得两输入功率的合成， 而 D 端负载 Rd 上无功率 输出。
(a) 对称 – 不对称
(b) 不对称 – 对称
2．阻抗变换器
传输线变压器可以构成阻抗变换器，由于结构的限制， 通常只能实现特定的阻抗比的变换。 4 : 1 阻抗变换器如图 1–4–7(a)所示，图中阻抗关系为 vo 2v v v Ri = = 4 = 4 RL RL = = i 2i 2i 2i
C 端的输出功率
2Vm I m Pc = = Pa Pb 2 输出功率为 A 端输入功率和 B 端输入功率的和。
3．异常输入情况 ia ib， va vb 根据电路的约束条件 1 1 va = v vc = id Rb 2iRc vb = v - vc = id Rb - 2iRc 2 2 1 1 将 id = ( ia ib ) i = ( ia - ib ) 2 2 代入并整理，求解出 Rd Rd Rc - Rc ia = va 4 - vb 4 Rd Rc Rd Rc Rd Rd Rc - Rc ib = vb 4 - va 4 Rd Rc Rd Rc
三、功率分配
当 Ra = Rb 时，将功 率放大器加在 D 端，功 率放大器的输出功率均等 地分配给 Ra 和 Rb ，且 它们之间是反相的，而 C 端无功率输出。 将功率放大器加 C端， 功率放大器的输出功率均 等地分配给 Ra 和 Rb，且 它们之间是同相的，而 D 端无功率输出。
一个理想的功率合成电路应该具有以下特点： ① N 个同类型的功率放大器，它们的输出振幅相等， 通过功率合成器输出给负载的功率应等于各功率放大器输 出功率的和。 ② 与功率合成器连接的各功率放大器彼此隔离，任何 一个功率放大器发生故障时，不影响其他放大器的功率输 出。 实现功率合成的电路种类很多，一般都由无源元件组 成，统称为魔 T 混合网络。在实际应用中，往往需要功率 合成电路具有宽带特性，这种功率合成电路由传输线变压 器构成。
图 1–4–9 功率分配电路
(a) 同相
2．反相功率分配
反相功率分配电路如图 1–4 –9(b)所示。
同理可以证明：当 Ra = Rb = R 时
ic = 2i = 0 ia = ib = id 则 ic = 0 C 端无功率输出。 A 端和 B 端获得等值反 相功率。
D 端的等效负载为 R/2。
Rd Rc ia = va 4 - vb Rd Rc Rd Rc ib = vb 4 - va Rd Rc
若取
Rd - Rc 4 Rd Rc Rd - Rc 4 Rd Rc
1 Rc = Rd 4
ia 仅与 va 有关，ib 仅与 vb 有关。实现了 A 端和 B 端的隔 离，称为 A、B 间的隔离条件。
而 ic = 2i = ia - ib
1 ( ia - ib ) 2
i = ia - id，i = id - ib
1 id = ( ia ib ) 2 1 i = ( ia - ib ) 2 ic = 2i = ia - ib
1．输入为等值反相信号 ia = ib = Imsin t，
va = vb = Vmsin t
二、传输线变压器的工作原理
传输线变压 器原理图如图 1– 4–4(a)所示。 将传输线绕 于磁环上便构成 传输线变压器。 传输线可以是同 轴电缆、双绞线、 或带状线，磁环 一般是镍锌高磁 导率的铁氧体。
参见图 1–4–4(b)，在高频时，传输线变压器以电磁能 交替变换的传输方式传送能量。 如图 1–4–4(c) 所示，在低频时， 由于传输线绕在磁 环上，1 端和 2 端 与 3 端和 4 端的 短导线成为较大的 电感线圈，避免了 信号源和负载被短 接，实现了倒相作 用。能量通过传输 线方式和磁耦合方 式传送。
vo v RL = = 2i 2i
பைடு நூலகம்
Ri =
2v v = 4 = 4 RL i 2i
实现 4 : 1 的阻抗变换。传输线变压器的特性阻抗为
v v Z c = = 2 = 2 RL i 2i
1 : 4 阻抗变换器如图 1–4–7(b)所示，图中阻抗关系为 vo 2v v 2v 1 Ri = = = RL RL = = 2i 4i 4 i i 实现 1 : 4 的阻抗变换。传输线变压器的特性阻抗为
ic = 2i ，ia = i - id ，ib = i + id ， vd = idRd = iaRa - ibRb
取
Ra - Rb Ra - Rb 1 id = i = ic Rd Ra Rb 2 Rd Ra Rb Ra = Rb = R
则 id = 0 D 端无功率输出。 ia = ib = ic /2 A 端和 B 端获得等值同相功 率。 C 端的等效负载为 R/2。
二、功率分配 1．同相功率分配
同相功率分配电路如图 1–4–9(a)所示。 ic = 2i ，ia = i - id ，ib = i + id ，vd = idRd = iaRa - ibRb 整理得到 Ra - Rb Ra - Rb 1 id = i = ic Rd Ra Rb 2 Rd Ra Rb