射频功率合成的原理

王保梁

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

利用功率合成技術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

根据戴维南定理，信号源Va在BO臂上产生的电流为开路电压VBO除以开路电阻RBO。由于开路电压VBO为零，所以Va在BO臂上不产生电流。BO臂上任何变化不会影响Va的工作状态。且由图6（c）还可以看出以下几点：①即使当BO臂断开，信号源Va仍处于匹配工作状态，仍输出额定功率;②空闲臂DD不能少。在正常同相功率合成时，PCO=PAO+PBO，DD臂上无功率，称DD臂为空闲臂。但当工作不正常时，如BO臂断开，空闲臂DD则保证AO臂正常工作。因此正常工作时，空闲臂必须接上。③当BO臂开路时，CO臂的功率下降为PC0=1/2PAO是正常合成时的1/4了。Va输出的另一半功率给了DD臂。

（2）功率分配时的隔离。若C0臂上接信号源V，可以证明B0臂上的功率与AO臂上电阻Ra无关。用戴维南定理计算出BO端的开路电压VBO和开路电阻RBO。见图7（a）所示，将BO臂开路。由传输线变压器的4：1阻抗变换功能，得到图7 （b）所示等效电路，即VAC=VCO。由于传输线变压器的端电压相等，所以开路电压：

VBO=VBC+V+VCO=V

在求开路电阻RBO时，先将00臂上信号源V短路，在BO臂上加电压源Vb，见图7 （c）所示。通过求电流Ibo，得开路电阻RBO=Vb/lbo，根据功率合成时的隔离特性BO臂上加信号源时，AO上无电流，可将Ra开路，则得7（d）所示电路，因而BO端的开路电阻RBO=R，因此BO臂得到的功率为PB=V2/4R，它与AO臂电阻Ra无关。

3 功率合成电路

将功率合成与分配网络配上合适的功率放大器就可构成功率合成电路。功率合成电路可以采用同相合成也可以反相合成，反相功率合成电路能抵消偶次谐波，因此失真较小。下面通过一个实例说明功率合成电路的设计方法。图8是反相功率合成原理电路。

两晶体管的输入电阻为Ri=2.5Ω，输出最佳负载电阻为R0=25Ω。由于两放大器工作于乙类推挽状态，轮流导通，因此它们是两个反相源。在输出端两放大器的输出功率应反相合成，而在输入端应反相分配。信号源内阻Rs=20Ω，是单端输出，因此经过Tγ1将不平衡转变为平衡端，在功率和与分配网络的平衡臂DD实现反相分配。同理Tγ6将单端天线ra=50Ω变换成平衡端，以得到反相合成的功率。Tγ2是功率分配网络，Tγ5是功率合成网络。Tγ3和Tγ4是4：1的阻抗变换传输线变压器。其中各传输线变压器的特性阻抗应为

ZCl=20Ω，ZC2=10Ω，ZC3=lOΩ， ZC4=5Ω，ZC5=25Ω.ZC6=50Ω

特別要注意的是，图8所示的功率放大器是宽带放大器，它的阻抗变换网络均采用了宽带的传输线变压器。由于没有选频回路，因此晶体管必须工作于乙类或甲乙类，而不能工作于丙类。

由传输线变压器构成的功率合成与分配网络既可用于功率分配，又可用于功率合成。该网络各臂的阻抗必须严格匹配，这样才能保证它的平均分配、信号源输出额定功率以及各臂间的隔离特性。带有功率合成与分配网络的功率合成电路是一种宽带线性放大器。

参考文献

[1]北京北广科技股份有限公司FM618-3KW调频立体声广播发射机技术说明书，

[2]严志刚，射频功率合成技术[J]，内蒙古广播与电视技术，2003 （02）.

[3]孙玉平，李新民.射频功率合成技术分析[J].西部广播电视，2013 （05）.