井下信号功率放大方法的研究

杨 飞

（油气钻井技术国家重点工程实验室西安石油大学井下测控研究室，陕西西安 710065）

智能油化工程

井下信号功率放大方法的研究

杨 飞

（油气钻井技术国家重点工程实验室西安石油大学井下测控研究室，陕西西安 710065）

井下信号传输过程中需要将信号进行放大，钻井深度不断增加，地层温度、压力不断升高，单一集成电路的设计方案成本较高，当环境温度过高、需要信号功率过大时，单一集成电路的设计方案无法满足要求。本文通过对宽频带传输线的理论进行研究，采用双路功率信号进行合成，利用传输线变压器作为宽频带电路中的功率合成器。通过对比测试，在同一环境温度和输出功率相同的条件下，通过合成的方法能够输出更高的功率，输出效率比单路更高，经过实验测量计算，合成效率最好能够达到80%。因此，通过传输线变压器功率合成器的研究，为今后深度钻井中信号功率放大提出了一种有效的解决方案。

信号；功率放大；钻井；功率合成

在随钻测量、地质导向钻井和随钻测量过程中，对井下信号的提取及控制指令的发送一直是制约钻井深度的一个重要问题[1]。在井下作业时，需要将地面控制信号通过各种方式传输到井下，井下的传感器测量信号也需要反馈到地面，在信号传输过程中，都需要先将信号进行放大，先将电信号转化为机械信号，而在井下高温环境下，设计合适频段的功率放大器一直是个难点[2，3]。井下功率放大器要求高温稳定性，而且井下会有各种控制和测量信号的干扰[4，5]。目前，井下所使用的功率放大器，主要采取对不同频率的信号设计相对应频带的功率放大器，这种方案的设计成本高，研发周期长。

对宽频带功率放大器进行研究，无论是功率管还是集成运算放大器，都存在频带越宽其输出功率越小，而且高温稳定性越差。所以，采用频带范围宽、高温性能好的小功率管或者集成运算放大器，进行功率合成为一种重要的解决方案。

因此，为了实现在井下电路中的信号阻抗匹配及功率合成，常采用传输线变压器。

1 宽频带信号及传输线理论分析

信号的传输情况同信号的频率特性密不可分，对于高频信号，其电流、电压等参数在线路中会随着位置的不同有规律的变化，通过对这种变化的分析，等到传输线中信号传输的规律，以便对其加以利用，使其对信号传输变成有利的因素[7]。

在高频传输线上取lab段分析：

其中：z－信号传输方向；I－传输线上电流；U－传输线上电压；E－电场；H－磁场；ω－信号角频率；μ－磁导率（μ=μ0μr）；ε－电导率（ε=ε0εr）。

因此，高频信号在线路传输时是以电磁波的形式传输。根据上式推导，构建等效模型（见图1）。

图1 传输线分布参数图

对于理想状况下的无损耗传输线其输入功率Pin等于负载得到的功率Pl也等于通过传输线上任意一点的功率 P（z）。即：

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其中：θ-电压与电流的相位差，即在传输线上随位置z的变化，电压电流的相位会出现规律性变化；Pl-负载功率；I1-输入负载的电流；Rl-负载阻抗；Pin-输入功率；I2-输入传输线的电流；Rin-输入阻抗；P（z）-传输线上z点处的功率；U（z）、I（z）-传输线z点处的电压和电流。

从电压波与电流波的角度分析，当电压在波腹位置时，电流就会在波节点位置，因此：

则传输线的特性阻抗Z0为：

驻波系数ρ为：

由此可以得到：

其中：K-行波系数。

因此，传输线的最大通过电流不变或者最大承受的电压不变时，行波系数K值越大，那么能够传输的功率就越大。

另一方面由于传输线的寄生效应，存在分布电感电容，所以会存在一个击穿电压的问题，由于击穿电压的限制，传输线会存在一个最大负荷功率，也叫做功率容量[8，9]。如果设 Ubreak为击穿电压，则 Pbreak为功率容量。公式表示为：

由式（11）可知功率容量与两个变量有关：一是击穿电压Ubreak，这与传输线材质、结构有关；二是驻波系数ρ，即当阻抗匹配到最佳时，即ρ趋近于1时，功率容量最大。

2 功率合成原理分析

传输线变压器传递能量的方式与传统变压器有着很大区别，传输线变压器信号从1和3端口输入，能量是通过两个导线间的寄生电容和电感，通过电磁耦合链传输能量到负载端。

功率合成网络原理图（见图2），其中A、B两端接两个功率放大器，则C、D端就能获得所合成的功率。其中T1为T型功率合成器，T2为阻抗匹配，实现不平衡阻抗转换，由于传输线变压器的特性，T1两个绕组等值，T2两个绕组也等值。

对图2进行分析，通过变压器T1的电流：

式中：I-通过 T1 的电流，Ia、Ib、Ic分别对应 A 点、B点、C点的电流；Id-通过负载Rl的电流。

对式（12）推导得：

则通过Rc的电流为：

2.1 功放等值同向输出电流分析

当Ia＝Ib时，根据电路原理进行分析，则：

又因为T1变压器初级与次级相等，因此：

由此可以得出，功率放大器1和功率放大器2输出的功率是反向等值的在负载Rl上叠加，C端则无功率输出，即：

图2 功率合成原理电路图

功率放大器1和功率放大器2的等效输出负载为：

2.2 功放等值反向输出电流分析

当Ia=-Ib时，根据电路原理进行分析，则：

即T1的初级与次级线圈上的电压均为0，因而：

功率放大器1和功率放大器2的等效输出负载为：

2.3 功放输出电流不相等时分析

当Ia≠Ib时，根据电路原理进行分析，则A端电压为：

将（21）代入（22）式得：

这时两个功率放大器在Rl的合成功率与Rc的大小有关，此时Rc上消耗功率较大，具体可以通过上述方法进行分析。

3 实验模拟及数据分析

本次实验用功率三极管MRF148A作为信号功率输出，通过调节磁性元器件的干扰，最大限度的测试变压器的频带宽度，通过对电路系统不同频率信号的测试（见图3），调节外围电路参数，充分发挥传输线变压器的性能，得到电路系统的频带宽度曲线，最大频带范围可以保持在30 Hz～60 MHz。

图3 电路系统最大频带宽度

对实验电路的分布参数进行测试，根据传输线理论，对电路进行参数分析。由于存在寄生参数，因此频率对所有实际元件都有影响。并非所有的寄生参数都会影响测量结果，但正是某些主要的寄生参数确定了元件的频率特性。当主要元件的阻抗值不同时，主要的寄生参数也会有所不同。功率放大器设计输入阻抗大小应该与负载阻抗相同，这样才能获得最大的输出功率。

通过调节匹配电容和电感，得到相应的匹配阻抗值（见表1）。

表1 变压器阻抗测试数据

通过计算分析，得出阻抗不匹配，通过调节匹配电容、电感参数，使得传输线的阻抗相匹配，当阻抗相匹配时，反射系数减小。

其中：Vrefl-反射电压；Vinc-入射电压；ZO-特性阻抗；Zl-负载阻抗；Γl-反射系数。

表2 输入与输出功率数据

功率数据分析：通常情况下要保证同向并联输出，否则会出现失配。若要采用反向功率合成，两路功率必须为推挽输出形式（见表2）。

通过表2实验数据，在阻抗匹配效果好时，效率能够达到80%，通过改变磁芯，提高变压器制作工艺，都可以进一步提高效率。

4 结论

本文通过对宽频带功率电路分析，设计传输线变压器进行功率合成，通过实验实测输出效率最大达到80%，对比传统的合成方式，传输线变压器具有频带范围更宽，合成效率更高等优点。而且在井下恶劣的环境中能够保证稳定工作，为井下信号传输提供了保障，在深井作业将会有良好的应用前景。

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［4］龙玲，陈庆，刘飞.电磁波随钻测量干扰信号消除算法研究［J］.仪器仪表学报，2014，（9）：2144-2152.

［5］邓林峰，赵荣珍，龚俊.一种改进的转子振动信号消噪方法研究［J］.仪器仪表学报，2011，（9）：1961-1966.

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Research on power amplification method of downhole signal

YANG Fei
（Oil and Gas Drilling Technology National Engineering Laboratory，Xi'an Shiyou University，Downhole Measurement and Control Laboratory，Xi'an Shanxi 710065，China）

In order to make the collected signal smoothly transmitted to the ground.A power amplifier is required to enhance the signal.When more power is needed,single-channel power amplifier is not meet the requirements in the underground high-temperature environment,so the use of power synthesis method is very necessary.In this paper,through the analysis of the electromagnetic characteristics of transmission line transformers and experiment analysis,use a transmission line transformer as a wideband circuit power synthesizer.Impedance matching is performed by experimental measurements,and the synthesis efficiency can reach 80%.That is to say,transmission line transformers power synthesizers have a wider frequency band and higher synthesis efficiency.It is an efficient downhole power syn－thesis solution.

signal；power amplifier；well drilling；power combining

TN73

A

1673-5285（2017）12-0106-05

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.12.025

2017－11-20

杨飞，男，汉族，陕西渭南人，西安石油大学，硕士研究生，研究方向为旋转导向钻井仪器的设计。