项目单元2 宽频带的功率合成器

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传输线变压器传输能量的特点： 既有传输线的特点， 2) 传输线变压器传输能量的特点： 既有传输线的特点， 又有变压器的特点 当传输高频信号时，以传输线模式传输能量：此时， ① 当传输高频信号时，以传输线模式传输能量：此时， 两根导线上的电感和导线间的分布电容就不能忽略掉了， 两根导线上的电感和导线间的分布电容就不能忽略掉了， 分布电感和分布电容形成了——电磁波的传输系统， ——电磁波的传输系统 分布电感和分布电容形成了——电磁波的传输系统，如图 3.26（ 所示； 3.26（d）所示；假设我们忽略导线本身的纯电阻损耗及 导线间的介质损耗， 导线间的介质损耗，信号源的能量就会利用分布电感和电 容这些储能元件进行传输，一级级的实现电能—— ——磁场能 容这些储能元件进行传输，一级级的实现电能——磁场能 ——电能的转换 所以，电感和电容就成了能量转换器； 电能的转换， ——电能的转换，所以，电感和电容就成了能量转换器；
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在传输线上的任一点上， ② 在传输线上的任一点上，两导线上流过的电流大小相 等，方向相反；两导线上电流所产生的磁通，只存在于两 方向相反；两导线上电流所产生的磁通， 导线之间，磁芯中没有磁通和损耗； 导线之间，磁芯中没有磁通和损耗； 当传输低频信号时，以变压器模式传输能量：此时， 当传输低频信号时，以变压器模式传输能量：此时，通过 线圈磁通量的改变，传输能量，即以磁耦合的方式传输能 线圈磁通量的改变，传输能量， 通电导线周围存在磁场， 量；通电导线周围存在磁场，变化的磁场通过线圈引起磁 通量的变化，又会产生电场。（ 。（没有考虑分布电容的影响 通量的变化，又会产生电场。（没有考虑分布电容的影响 ！！！）
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在理想无损耗情况下或工作频率很高时， <<ωＬ ② 在理想无损耗情况下或工作频率很高时，有Ｒ<<ωＬ ，Ｇ<<ωＣ，则传输线的特性阻抗为 <<ωＣ， ，Ｇ<<ωＣ，则传输线的特性阻抗为 ③ 作用 起到放大器与负载之间阻抗匹配的作用 系统匹配时有：RS=ZC=RL，（即信号源阻抗= ，（即信号源阻抗 系统匹配时有：RS=ZC=RL，（即信号源阻抗=传输线阻 负载） 抗=负载） 此时， 此时，可以最有效地传输功率 最佳特性阻抗： 最佳特性阻抗：
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2) 平衡和不平衡的互相变换
图3.30
平衡与不平衡的互相变换
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3) 阻抗变换 传输线变压器的第三个用途，是在输入端和输出端之间 传输线变压器的第三个用途， 实现阻抗变换。由于传输线变压器的结构的限制， 实现阻抗变换。由于传输线变压器的结构的限制，它不能 像普通变压器那样， 像普通变压器那样，借助匝数比的改变来实现任何阻抗比 的变换，而只能完成某些特定阻抗比的变换， :1、 的变换，而只能完成某些特定阻抗比的变换，如４:1、 9:1、 :1，或者1: 1:４ 1:9、1:16，等等。 9:1、1６:1，或者1:４、1:9、1:16，等等。
π
c）随着l的减小，相位差也减小，插入损耗也减小，当 随着l的减小，相位差也减小，插入损耗也减小， 意味着终端电流与始端电流相位相同， ϕ = β l = 0 时，意味着终端电流与始端电流相位相同，传输的能 量全部被负载所吸收，此时，插入损耗为0 量全部被负载所吸收，此时，插入损耗为0；
1 一般要求： d）一般要求： l ≤ λ min 8
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3) 传输线变压器的主要参数 特性阻抗和插入损耗 ⑴特性阻抗 特性阻抗Ｚ 特性阻抗Ｚc的表达式 ——传输线单位长度的损耗电阻 r——传输线单位长度的损耗电阻 ——传输线单位长度的分布电感 L——传输线单位长度的分布电感 ——传输线单位长度的线间电导 G——传输线单位长度的线间电导 C——传输线单位长度的分布电容 ——传输线单位长度的分布电容
。
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2．传输线变压器的应用 1) 极性变换 传输线变压器作极性变换电路，就是1:1 1:1倒相传输线变压 传输线变压器作极性变换电路，就是1:1倒相传输线变压 器。
图3.29
1:1倒相传输线变压器 1:1倒相传输线变压器
说明： 说明： 所谓1:1 指的是RS=RL 实现倒相是指：URL=— 1:1， RS=RL； 所谓1:1，指的是RS=RL；实现倒相是指：URL=—U。
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式中, 式中,
ϕ=
2π
λ
称为相移常数。 称为相移常数。
讨论： 讨论：a）信号波长λ越小，即f越大，传输线距离越长，相位差越大 信号波长λ越小， 越大，传输线距离越长， ； 即传输线的距离等于信号半波长时， b）当l=λ/2 时，即传输线的距离等于信号半波长时，ϕ = 意味着终端电流始终与始端电流相位相反，将产生全反射， 意味着终端电流始终与始端电流相位相反，将产生全反射， 那么负载上的不到任何功率，全部消耗在插入损耗上了； 那么负载上的不到任何功率，全部消耗在插入损耗上了；
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二、功率合成电路 利用多个功率放大电路同时对输入信号进行放大, 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, 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，这就是功率合成技 以远远大于单个功放电路的输出功率， 术。 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。 功率。 理想的功率合成器不但应具有功率合成的功能, 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, 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, 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, 作状态不受影响, 仅仅是功率合成器输出总功率减小一些 。
Z copt = R S R L
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⑵插入损耗 定义：在实际中，不可能做到完全理想的匹配，所以， 定义：在实际中，不可能做到完全理想的匹配，所以，传 输到终端的能量不能全部被负载RL所吸收， RL所吸收 输到终端的能量不能全部被负载RL所吸收，其中一部分能 量被负载吸收，另一部分经终端反射，又回到信号源； 量被负载吸收，另一部分经终端反射，又回到信号源；信 号在往返途中，被传输线介质和信号源内阻损耗掉，这种 号在往返途中，被传输线介质和信号源内阻损耗掉， 损耗称为插入损耗； 损耗称为插入损耗； 产生原因： 产生原因：传输线终端电压和电流对于始端产生相移的结 果 电磁波自始端传到终端，是需要一定时间的。终端电压、 电磁波自始端传到终端，是需要一定时间的。终端电压、 电流总要滞后于始端相应电压、电流－个相位φ 电流总要滞后于始端相应电压、电流－个相位φ，这个相 位与传输信号波长λ及传输线距离l 位与传输信号波长λ及传输线距离l的关系为
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普通变压器上、下限频率的扩展方法是相互制约的。 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, 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, 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, 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, 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, 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, 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。 提高。 传输线变压器是基于传输线原理和变压器原理二者相结合 而产生的一种耦合元件
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宽带高频功率放大电路采用非调谐宽带网络作为匹配网络 能在很宽的频带范围内获得线性放大。 , 能在很宽的频带范围内获得线性放大。常用的宽带匹配 网络是传输线变压器, 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, 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 由于无选频滤波性能, 线性失真较小的甲类或乙类状态, 效率较低。所以, 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。 高频功放是以牺牲效率来换取工作频带的加宽。
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一、传输线Baidu Nhomakorabea压器
1．工作原理 1) 传输线变压器的结构
图3.26
1∶1传输线变压器结构示意图及等效电路 1∶1传输线变压器结构示意图及等效电路
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说明： 说明： 是将传输线(双绞线、带状线或同轴线等)绕在高导磁率的 是将传输线(双绞线、带状线或同轴线等) 高频磁芯上构成的, 高频磁芯上构成的, 以传输线方式与变压器方式同时进行 能量传输； 能量传输； 端所连接的是同一根导线， 1—2端所连接的是同一根导线，3—4端所连接的是另一根 导线； 导线； 信号从1 端输入， 端输出，送给负载； 信号从1，3端输入，从2，4端输出，送给负载； 对于磁环而言，所需传输的功率越大， 对于磁环而言，所需传输的功率越大，磁环的直径也要越 大。
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图3.31
4:1传输线变压器电路 4:1传输线变压器电路
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在无耗且传输线长度很短的情况下, 设负载电阻Ｒ 在无耗且传输线长度很短的情况下, 设负载电阻ＲL上的 电压为U 则传输线终端和始端的电压均为U 因此， 电压为U，则传输线终端和始端的电压均为U，因此，信号 源端的电压为２ 当信号源提供的电流为Ｉ 源端的电压为２U。当信号源提供的电流为Ｉ时，则通过 的电流为２ 于是负载电阻Ｒ ＲL的电流为２I，于是负载电阻ＲL为 从信号源向传输线变压器看去的输入电阻为
2U U Ri = =4 = 4 RL I 2I
U U 传输线的特性阻抗为 Z c = =2 = 2 RL I 2I
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根据相同的原理，可以利用多组1:1传输线变压器组成 根据相同的原理，可以利用多组1:1传输线变压器组成 1:1 9:1、16:1或1:9、9:16等电路 并求出输入电阻、 等电路， 9:1、16:1或1:9、9:16等电路，并求出输入电阻、特 性阻抗与负载电阻Ｒ 的关系。可以证明， 1:1传输 性阻抗与负载电阻ＲL的关系。可以证明，若1:1传输 线变压器组数为ｎ， ｎ，则由它组成的阻抗变换电路的特 线变压器组数为ｎ，则由它组成的阻抗变换电路的特 性阻抗和输入电阻分别为 Zc=(n+1)RL Ri=(n+1)2RL 对于变比小于1的阻抗变换电路， 对于变比小于1的阻抗变换电路，特性阻抗和输入电阻 的一般公式为 1
Zc = ( n + 1) 1 Ri = RL 2 ( n + 1) RL
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图3.32
宽带高频功率放大电路
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图3.32给出了一个两级宽带高频功率放大电路, 其匹配网 3.32给出了一个两级宽带高频功率放大电路, 给出了一个两级宽带高频功率放大电路 络采用了三个传输线变压器。 络采用了三个传输线变压器。 由图可见, 两级功放都工作在甲类状态, 由图可见, 两级功放都工作在甲类状态, 并采用本级直流 负反馈方式展宽频带, 改善非线性失真。 负反馈方式展宽频带, 改善非线性失真。 三个传输线变 压器均为4∶1阻抗变换器。 前两个级联后作为第一级功 压器均为4∶1阻抗变换器。 4∶1阻抗变换器 放的输出匹配网络, 总阻抗比为16∶1, 放的输出匹配网络, 总阻抗比为16∶1, 使第二级功放的 低输入阻抗与第一级功放的高输出阻抗实现匹配。 低输入阻抗与第一级功放的高输出阻抗实现匹配。第三个 使第二级功放的高输出阻抗与50Ω的负载电阻实现匹配。 50Ω的负载电阻实现匹配 使第二级功放的高输出阻抗与50Ω的负载电阻实现匹配。