基于传输线变压器的功率合成器的设计实现

摘要： 本文主要介绍了一种短波宽带功率合成器的设计实现方法，该所设计的功率合成器是一种电流型合成网络，主要采用基于传输线变压器为主的合成方式。它由多个变压器信号输入和一个变压器信号输出组成，能够完成短波宽带发信机射频通路功率合成，实现多路射频信号的功率合成及整机需要的阻抗变换。

关键词：大功率短波；传输线变压器；功率合成

短波通信的传输媒介是电离层，具有抗毁能力强，设备相对简单，使用灵活的特点，在一些特殊领域，短波通信是重要的沟通手段。大功率短波宽带发信机作为短波通信系统的重要组成部分，与天馈系统配接，利用大功率优势保障在复杂电磁环境下的远程可靠通信。随着无线电通信业务的飞速发展、电磁环境逐渐恶化，电磁密度的增加，使得远距离可靠通信对发信机发送功率的要求越来越大，但有源器件在频率较高时的放大能力下降， 单个功放管模块输出功率较小，无法达成目标，为提升发信机的发射功率，通常采用多个功放、多级功率分配及功率合成的方法实现更大功率等级输出。因此，设计一个可靠的短波宽带功率合成器以实现多路射频信号的功率合成是具有重要意义的。

一、概述

（一）指标要求

为提升短波宽带发信机的输出功率，研制一种六路合一的功率合成器，其主要技术指标要求为：

①频率范围：3MHz～30MHz；

②输入/输出阻抗：50Ω；

③插入损耗：≤0.5dB；

④功率容量：2000W（CW）。

（二）设备用途及组成

功率合成器配套短波宽带发信机使用，实现多组射频信号的功率合成。功率合成器主要由输入变压器、输出变压器、平衡电阻、机箱、散热器和风机等组成。

二、设计方案

（一）电路原理

功率合成器的电路原理是将六路等幅同相的射频功率信号合成为一路射频功率输出，原理如图1所示。

为了满足宽带、大功率的使用要求，选择以传输线变压器为主的功率合成方式。传输线变压器具有体积小、功率容量大、工作频带宽等优点，工作频带可达到10个倍频程，广泛应用于短波领域。原理图中T1～T6为输入变压器，每一路射频输入分别经由输入变压器实现功率合成，合成后的信号阻抗为低阻抗，为6路50Ω并联后的阻抗，电流为6路射频的电流之和，实现电流合成。合成后的低阻信号，经输出变压器T7，抗转换为50Ω，实现发信机50Ω输出阻抗要求。R1～R6为平衡电阻，取值为传输线的特性阻抗，其作用是吸收各路信号不均衡时产生的耗散功率，极端情况下，当某一路射频功率信号大幅降低时，可保障发信机高功率输出。

图1  功率合成器原理图

（二）电路设计

1.变压器绕线长度计算

根据标准磁环规格、磁导率、安装尺寸等条件，输入变压器选择磁导率值为350的磁环绕制，单个磁环尺寸为40mm×18mm×12mm，单个磁环的功率容量无法满足要求，为达到较大的功率容量，需增大磁路面积，采用6个磁环，分别把3个磁环对齐黏合，布局上把2组黏合好的磁环并排固定，用聚酯薄膜胶带缠绕紧固，用同轴线沿2组磁环的公共内壁紧密绕制3圈。根据式（1）计算得到输入变压器的电感值。

（1）

为了保证低频响应良好，除采用高磁导率的磁芯外，还必须有一定的绕组长度、绕线匝数，以使初级绕组有足够大的感抗。

2.平衡电阻计算

输入变压器的输入阻抗为50Ω，6路合成后的负载阻抗为8.3Ω[1]。输出变压器的输入阻抗为8.3Ω，负载阻抗为50Ω，根据式（2），得到传输线变压器的特性阻抗ZC（其中Rg为源阻抗，RL为负载阻抗）：

（2）

平衡电阻阻值取传输线特性阻抗值20.4Ω，同时要根据射频电流值选择平衡电阻的功率和温度参数。

3.输入变压器计算

变压器设计需要考虑功率容量足够、最大磁感应强度小于变压器磁芯的最大磁感应强度，因此磁环的选择非常关键。

为了得到宽带响应，特别是展宽低频响应，磁环应选择高磁导率、低损耗的高频磁性材料。磁性材料选用强场功率软磁铁氧体材料，其特点是在高频工作频率下能承受不同量的功率不发热或发热在允许值内[2]。

输入变压器选择磁导率值为350的磁环绕制，单个磁环尺寸为40mm×18mm×12mm，为达到较大的功率容量，需增大磁路面积，采用6个磁环叠加使用，分别把3个磁环对齐黏合形成2组，把2组黏合好的磁环并排固定，用聚酯薄膜胶带缠绕，用同轴线沿2组磁环的公共内壁紧密绕制3圈，形成1个变压器。

根据式（3），计算得到输入变压器的电感值，其中Ae为磁路面积，Le为磁路长度：

（3）

依据式（4），计算输入变压器最低工作频率（3MHz）时的感抗XL：

（4）

由此可见，输入变压器低频端的感抗324 Ω远大于变压器的输入阻抗（50Ω）的3倍以上，保证了低频响应良好。

依据式（5）计算输入变压器磁芯的磁感应强度Bmax值（其中Ae为磁路面积，fmin为最低工作频率）：

（5）

通常取磁芯的最大磁感应强度为100GS，以上所设计的输入变压器，其最大磁感应强度远小于100GS。

4.输出变压器计算

输出变压器选择磁导率值为80的磁环绕制，考虑整个合成变压器平面安装尺寸要求，磁環尺寸选用为68mm×38mm×20mm，单个磁环的功率容量无法满足变压器的功率要求，为获得足够的功率容量，需增大磁路面积，通过叠加磁环的方式实现，共用4个磁环，把2个磁环对齐黏合成1组，把2组黏合好的磁环并排固定，用聚酯薄膜胶带缠绕，用同轴线紧密绕制3圈，首尾相连，外层馈线再绕1圈，匝数比为3：7，阻抗变比为9：49，从而实现由低阻抗到高阻抗的变换，满足发信机输出阻抗为50Ω的指标要求。

依据式（6），得到输出变压器的电感值（其中Ae为磁路面积，Le为磁路长度）：

（6）

依据式（7），计算输出变压器最低工作频率（3MHz）时的感抗XL：

（7）

由此可见，输出变压器低频端的感抗远大于变压器输出阻抗的3倍以上，保证了低频响应良好。

依据式（8）计算输出变压器磁芯的磁感应强度Bmax（其中Ae为磁路面积，fmin为最低工作频率）：

（8）

通常取磁芯的最大磁感应强度为100GS，以上设计的输出变压器其最大磁感应强度远小于100GS。

事实上，输入变压器和输出变压器在设计上均预留有很大的功率余量，可满足更高功率的输出需求。

5.PCB印制板设计

为保证6路射频信号的一致性，在进行PCB设计时，考虑到6个输入变压器工作时要求其电路参数保持一致，选用对称设计，均匀地排布在印制板上直径相同的一个圆周上，这样输入变压器的输入线和输出线的长度一致，其对应电参数一致，减少分布参数的影响。同时绘制印制板表面铜箔时，还要考虑承载电流、趋肤效应。在工作频率范围内，最低工作频率3MHz时的趋肤深度最大，而最高工作频率40MHz的趋肤深度最小，趋肤深度越小相同承载面积承载的电流越小，因此以最高工作频率40MHz工作时计算印制板表面铜箔面积，带状线的最佳厚度为2ε，通过计算取印制线的铜箔厚度为2oz（70μm）[3]。

因宽带发射机小型化设计的需求，合成变压器的机箱高度、宽度受限，输入变压器组和平衡电阻无法布置在同一印制板上，需分别单独布板，考虑到6个输出变压器布置完成后电压分布参数要一致，采用上下层层叠、对应均匀排布的结构设计，板与板之间的电气互联采用銅片连接。

考虑到输出变压器位置与输入变压器之间有一定的距离，会引入较大分布参数，为减小分布参数，将输入变压器合成端口与输出变压器输入端口的互联采用印制板布线连接，取代传统的铜带或同轴线直连，印制板布线应注意系统对特性阻抗的需求，其特性阻抗应尽量接近输入变压器输出端口的阻抗，利用ADS中的“LineCalc”工具设计仿真，PCB介质材料选取常用的FR4覆铜板，其相对介电常数取4.5，其中印制线的物理宽度取值为35mm，满足中间级低阻抗，承载较大电流的需求。由于理论与实际均存在差异，设计的阻抗值与实际测试会有所不同，在调试过程中可适当增加中间级的对地补偿电容，反复测试和调整，使两个端口的阻抗尽量匹配。

三、热设计

合成器在工作时由于功率较大会产生大量的热能，同时其布置密集，散热空间有限，热能无法有效散出，影响合成器工作，甚至烧毁变压器，因此必须进行散热设计。

根据整机布局功率合成器要安装到标准机柜上，考虑电磁兼容、维护维修等因素，需要将合成器布局到屏蔽插箱里，考虑其散热条件和方式，依据发信机给出的冷却要求，功率合成器采用强迫风冷的散热方式，考虑整个发信机安装空间、维护方式，发信机的后面安装空间小，无法布置风机，因此合成器插箱采用前进风后出风的通风方式，合成器插箱前面板处安装有风机。

输入变压器与输出变压器分散排布，大功率平衡电阻安装在散热器上，分布均匀，便于散热。因功率合成单元体积较小，空间十分局促，散热器的尺寸受到严格限制，在设计时利用计算机仿真技术，模拟合成器散热需求最大时即在模拟一路功放射频信号缺失的情况下，平衡电阻吸收功率的散热状况，强迫风冷给定时，合成器温度达到平衡后，其最高温度远低于平衡电阻技术规格中的最高温度，满足变压器散热要求。

风机选择具有PWM控制功能，从连接器端口引入PWM控制线，与发信机功放温度采样实现连锁设计，通过改变控制端子与地之间的输入测速信号的占空比，从外部控制风扇转速。在待机状态下，功率合成器内元器件无热量产生，风机处于待机状态，合成器工作时，根据功放温度采样控制风机的转速，调整给出的风量，在保证散热效率的同时，降低电力消耗以及装置的低噪音效果。

四、生产与调试

功率合成器在生产过程中，采购磁环的结构尺寸要进行控制，使相同磁环的结构尺寸一致，以保证变压器结构参数和装配一致；对磁导率值进行筛选，相同磁环磁导率尽量一致，以使绕制后的变压器电感参数基本一致；在绕制输入和输出变压器时要严格按绕制工艺进行，同轴线应贴合磁环组内壁均匀紧密绕制，尤其是6个输入变压器绕制同轴线线长、绕制半径、焊接尺寸要高度一致，以保证各输入变压器间的一致性。各部分的工艺连接也要考虑能承受高电压和大电流，高压处留有合适的耐压空间，大电流处适当敷设铜箔和选择合适的导线直径，满足承压和载流的需求。

由于功率合成变压器体积大，且受到装配空间限制布局分散，各部分功能电路之间很难达到全部就近互联，因此信号在传输过程中，会引入一定的分布参数。功率合成器在调试过程中，主要解决的问题是，尽量消除分布参数对频率响应的影响。通过网络分析仪，观测输入端口、输出端口及各端口之间的S参数及阻抗特性，可在输入变压器及输出变压器的输出端口增加补偿线电感或电容，修正理论与实际的偏差，减小分布参数的影响，达到最佳阻抗匹配。

合成器调试包括静态测试和上电调试，静态测试主要是使用网络分析仪调整输入端口、输出端口及各端口之间的S参数及阻抗特性，使其达到阻抗匹配；上电调试是指功率合成器接入宽带短波发信机中性能功能测试，包括全频段上电、功率容量测试、连续工作测试、插入损耗测试，通过不断调整、测试及长时间满功率负荷，功率合成器的传输损耗、带宽和功率容量等指标及散热能力均满足发信机使用要求，能够确保发信机长时间可靠工作。

五、结束语

研制大功率合成器对于短波发信具有非常重要的意义，本论文研制的功率合成器具有多路、功率大、频带宽、体积小、可靠性高等特点，经过测试，各项指标满足使用要求。此外，通过适当改变元器件的电气参数和组成数量，辅助以参数仿真设计、热设计，可实现更高功率等级的功率合成。

作者单位：王磊 海军装备部驻北京地区第八军事

代表室

参  考  文  献

[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第三版）[M].高等教育出版社，2001.

[2]张纪钢.射频铁氧体宽带器件[M].科学出版社，1986.

[3]邓建国，张相臣，谈文心.高频电子线路[M].西安交通大学出版社，1996.