海纳F103S型调频发射机的功率合成分析

吴俊丽

摘 要 根据海纳F103S型全固态调频立体声广播发射机上所采用的功率合成器，对威尔金森耦合器原理和并联使用、3dB定向耦合器进行了定性的分析说明；介绍了功率合成器在实际工作中应注意的事项。

关键词 功率合成器；威尔金森耦合器；3dB定向耦合器

中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）190-0016-02

中短波的调幅方式广播经过了较长时间的发展，采用双边带调幅，技术不断的得到完善，接收机的结构越来越简单、便宜，可以方便的用于固定以及便携式接收，在调频广播出现前，占据了声音广播的主导地位，但是因为调幅方式的特点以及工作频段的限制，其质量不能有较大的提高。因此诞生了调频广播技术，因为其频带窄、能耗低、多功能附加业务、防串扰高音质等特点，得到了快速发展，特别是汽车普及以后，车载收音机成为了调频广播的主力接收终端，使调频广播的生命力愈加旺盛。全固态调频广播发射机技术先进，有体积小，重量轻，耗电少，维护量小，使用寿命长等诸多优点，因此具有很强的生命力和良好的发展前景。因为技术所限，单个晶体管的放大量不足以达到所需输出功率，所以在全固态的发射机中所采用的都是用多个功率模块电路并联使用，从而得到所需的大功率输出。所谓功率合成，是指利用两个以上的晶体管高频功率模块同时对输入信号进行功率放大，然后通过合成网络将各放大器输出信号功率相加，得到总的输出功率。

1 四功率合成器

本台使用的原陕西海纳厂2006生产的调频广播发射机，型号为F103S，整机构成主要有：RVR激励器，八块1.5kW功放模块，四功率、二功率合成器，整机电源系统，电脑智能控制系统等组成。它有八路功放模块经功率合成后输出，发射机八块功放分两组，每组有四块功放合成一路，四路功率合成器是由威尔金森耦合器（Wilkinson coupler ），相移为0度的四个并联在一起构成。

1.1 威尔金森耦合器原理

威尔金森功分器的λ/4微带线特性阻抗都是Zo。在需要功率平均分配时，其输入和输出口间的分支线特性阻抗相等，各路信号所经过的电长度相同（即线长为λ/4），在输出端跨接一个隔离电阻R，使其值为2Zo。可以由微波理论证明，当这种耦合器的端口2、3的阻抗匹配时，端口1上无输入反射，反之对端口2、3也是如此。此时由端口1输入的功率被平分到端口2和3，且端口2、3之间相互隔离。

1.2 威尔金森耦合器并联的实际应用

在海纳F103S型调频发射机中，采用的功率合成器其特性阻抗为70.7Ω，印制的微带线长度为1/4波长（λ/4）。它把等幅、同相位经功放模块放大后的射频功率信号四路合成后输出，如能保证输入端四路射频功率信号等幅、同相位，则功率合成的效果最佳，吸收负载装置无功率消耗。假如输入端四路射频功率信号幅度、相位有差异，就会有部分功率被吸收负载装置吸收消耗。其技术参数为：频率范围：87MHz～108MHz；输入输出阻抗：50Ω；驻波比：VSWR≤1.15；插入损耗：<0.05dB；输出端隔离度：>16dB；输入端功率：≤1.5kW；合成输出功率：≤6.0kW。

1.3 使用注意事项分析

在发射机工作中，会出现某一个功放模块故障，停止工作无功率输出。其他正常的功放模块经过四路功率合成以后，只会有部分功率输出到输出端，剩余的功率都会消耗在吸收负载装置上。

合成器的输出功率与吸收负载上消耗的功率之间关系可以根据以下公式计算：

Pout=n×Po（n-x）2/n2

Pb=（n-x）Po-Pout

其中：Pout：合成器输出功率；Po：功率放大器額定功率；Pb：吸收负载口的消耗功率；n：功率放大器总数量；x：停止工作的功放数量。

对于本台发射机来说，Po=1.3kW n=4

当x=1时（有一路功放出故障不工作）

则有Pout=2 925W Pb=975W

说明5.2kW的功放合成输出只有2 925W，平衡电阻上消耗975W。

当x=2时（有两路功放出故障不工作）

则有Pout=1.3kW Pb=1.3kW

说明5.2kW的功放合成输出只有1.3kW，平衡电阻上消耗1.3kW。

因此在合成器工作之前，一定要先检查合成器上连接吸收负载的50Ω电缆连接是否可靠。日常使用时，合成器不需要做任何调整，维护时应该检查各连接口是否正常，螺钉有无松动，接头是否发热。

2 3dB二功率合成器

本发射机功率二合成器采用的是3dB合成器，是利用3dB传输线定向耦合器的原理实现功率合成，属于常见的合成方式。结构形式主要有蛇形线、带状线、微带线以及双芯电缆等。其结构简单，但两输入端输入的合成功率之间应有90°的相位差，且只能两路合成。

2.1 3dB定向耦合器原理

定向耦合器具有方向性，能将一路功率信号按比例分出一部分功率或分成几路，达到功率的隔离、分离和混合目的，因其结构简单，性能稳定，体积小巧等特点，成为高频设备中应用广泛的通用部件。

3dB定向耦合器（如图1）是一种强定向的耦合器，它具有方向性，由两对长度为λ/4的平行传输线构成，利用传输线的定向耦合作用，将输入功率一半的能量分配给对称的另一根传输线，信号从端口1端输入（输入端），则有一半能量分配到对称的另一根传输线的端口3（耦合端），剩下的另一半能量直接送到端口2（直通端），如果端口2和端口3阻抗均与耦合器匹配，则没有能量送到端口4（隔离端）。

由以上可知，利用3dB定向耦合器既能用作功率分配使用，又能用作功率合成使用。当作为功率合成器使用时，需要用两路信号源同时分别加于3dB定向耦合器对角线的两端（可用1和4端口或用2和3端口），并且要求两个信号源的相位相差90度，如图2所示。

由上可知，当电压幅度相等（U1=U2），相位相差是90度的两个信号源，被同时分别相加在端口1上和端口4上时，信号电压通过直通和耦合在端口2叠加，输出电压为√2Ue-j90°；在端口3幅度相等，相位相差180°，相互抵消为零；而端口1和端口4互为隔离端，两信号源互不产生影响。于是两个信号源共同作用的结果，将两路信号合成后由端口2输出。从功率的角度看，如端口1和端口4的输入功率皆为：

Pin=U2/2R

则合成后端口2的输出功率将为：

Pout=（√2U）2/2R=2Pin

对于作为功率合成器使用的3dB定向耦合器来说，得到的输出功率是经输出端（端口2）合成的两个输入功率的和，既二路功率合成。当两信号源输入电压振幅相等、相位相差90°，且分别加于3dB定向耦合器的互为隔离端，其合成后输出的功率将为信号源输入之和。但是。在U1≠U2的情况下，由以上原理可知，端口3将有一定输出而被负载消耗掉，而端口2仍可得到二者主要功率的合成输出。

2.2 使用与维护事项

与四功率合成器一样，功率合成器不需要做任何调整，在日常使用时，一定要经常检查合成器上连接吸收负载的50Ω电缆连接是否可靠，各连接口是否正常，螺钉有无松动，接头是否发热等。

参考文献

[1]张普.海纳F103S型10kW调频发射机原理维护浅析[J].电子世界，2014（20）：71.

[2]刘建荣.浅谈F103S型发射机的设计缺陷及改进方案[J].视听，2009（9）：29.