高频功率放大器的功率合成技术

(3-1-1)
式中： β=2π/λ——相移常数；
λ——工作波长；
l——传输线长度。
第 3 章 功率合成技术 端接为
& =U & −I R U o 1 o 1 & & U 2 = I 2 RL
o
(3-1-2)
& ——放大器的输出电压； 式中： U
Ro——放大器的输出阻抗。 解上述方程式， 得：
－
－
－
－
图 3-4 1∶4和4∶1传输线变压器 (a) 1∶4 阻抗变压比； (b) 4∶1 阻抗变换比
第 3 章 功率合成技术 2. 1∶n和n∶1传输线变压器 传输线变压器还可以实现1∶9、 1∶16等1∶n高阻抗变换 比和9∶1、 16∶1等n∶1高阻抗变换比。下面以阻抗变换比1∶9 为例讨论高变换比传输线变压器。 图3-5为1∶9传输线变压器，由图3-5(a)可见, 它相当于由一 个 1∶1 传输线变压器与一个 1∶4 传输线变压器所构成。将图 35(a)改画为图3-5(b)，则 1∶9传输线变压器还可视为两个1∶1传 输线变压器加一根短接线构成。同理， 1∶4 传输线变压器也可 视为一个1:1传输线变压器加一根短接线构成。
& U o & = I 2 ( Ro + RL ) cos( βl ) + j ( Z c + Ro RL / Z c ) sin( βl )
(3-1-3)
第 3 章 功率合成技术 对于高频传输线，一般可以近似地把它看成是无耗线， 即 传输线的衰减常数为零。特性阻抗Zc为一与频率无关的纯电阻。 设传输线无耗，则负载上的功率为
& & 、 电流为 I & ，输出端电压为 U U 1 1 2
、电流为
& I 2
， 则由传
输线方程可得：
& =U & cos( βl ) + jZ I & U 1 2 c 2 sin( βl ) & U & =I & cos( βl ) + j 2 sin( βl ) I 1 2 Zc
r + jωL Zc = G + jωC
r——传输线上单位线长的损耗电阻；
(3-1-9)
式中： L——传输线上单位线长的电感量；
C——传输线上单位线长区两线间电容量; G——传输线上单位线长区两线间漏电导。
第 3 章 功率合成技术 当传输线无耗，或满足Ωl>>r，ωC>>G时，则
L Zc ≈ C
第 3 章 功率合成技术
＋ U －
1 Ro 3
＋
U
＋
U RL
＋
Uo
－
2
－
4
－
＋ U －
图 3-2 1∶1传输线变压器的变压器等效电路
第 3 章 功率合成技术 除了实现倒相，1∶1传输线变压器还经常用作实现电路的 平衡—不平衡转换，如图 3-3 所示。 传输线可认为是由无数个分布电容和电感组成的， 其特性 阻抗为
第 3 章 功率合成技术 当 βl 较大时，相当于信号波长 λ 较短，即高频处， Zin 随频 率变化，意味着负载得到的功率随信号频率的变化而变化，因 此，实际传输线带宽存在上限频率。让传输线的特性阻抗Zc更接 近负载RL，并尽量缩短传输线的长度l， 可使传输线的上限频率 达到很高。 为了保证传输线变压器的上限频率，通常取l<λmin/8，即一 般传输线变压器都可认为工作在满足βl<<1 的条件下。
第 3 章 功率合成技术 但是，实际上要做到阻抗完全匹配是不容易的。在不匹配 的情况下，即 Zc≠RL 时，由式 (3-1-6) 可得，传输线的输入阻抗 为
RL + jZ c tg ( βl ) Z in = Z c Z c + jRLtg ( βl )
(3-1-7)
当βl很小，即βl<<1 时，相当于信号波长λ很长，也即低 频处，Zin≈RL，传输功率几乎不随λ变化, 故传输线带宽没有频 率下限。
U RL PL = ( Ro + RL ) 2 cos2 ( βl ) + ( Z c + Ro RL / Z c ) 2 sin 2 ( βl )
(3-1-4) 当负载获得最大功率时， 特性阻抗满足：
2 o
Z c = Ro RL
(3-1-5)
第 3 章 功率合成技术 且 负 载获 得 最 大功 率 时 ，源 内 阻 应与 负 载 阻抗 相 等 ， 即 Ro=RL，此时，传输线输入阻抗为
(3-1-10)
传输线变压器的传输机理，主要是利用传输线的分布电感、 分布电容来传递电磁能量。当传输线的特性阻抗在匹配状态下 工作时，分布电感、分布电容得到最佳利用，从根本上克服了 集总参数变压器因分布电容和漏感的影响而使工作频带受限的 弊端。
第 3 章 功率合成技术
Ro / 2
＋
Uo
RL / 2
第 3 章 功率合成技术
3I
I
3I
I
＋
U
＋
U
＋
U
＋
U
＋
U
＋
U
－
－ ＋
U
－
＋
3U
－
RL
－ ＋
U
－
＋
3U RL
＋ －
U
＋ －
U
－
(a)
－
－
(b)
－
图 3-5 1∶9 传输线变压器
第 3 章 功率合成技术 由图可知，负载RL上两端电压为3U，流过的电流为I, 信号 源两端的输出电压为U，流出的电流为3I，则信号源两端的输入 阻抗Ri及传输线变压器的特性阻抗Zc分别为：
& U cos( βl ) + j ( Z c / RL ) sin( βl ) 1 Z in = = RL & I cos( βl ) + j ( RL / Z c ) sin( βl ) 1
(3-1-6)
由上式可见，当传输线特性阻抗与负载阻抗匹配，即Zc=RL 时，无耗传输线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，并且与工 作频率无关。 在无耗和匹配的理想情况下，传输线的带宽是无 限的。通常传输线都尽可能工作在匹配状态下，且传输线损耗 一般较小，所以，传输线具有很宽的通频带。
第 3 章 功率合成技术 传输线变压器以变压器方式工作，可在输入端和输出端之 间实现阻抗变换、极性变换、平衡—不平衡变换等功能。对于图 3-1所示的1∶1倒相传输线变压器，为了使输出电压倒相，2端必 须接地，则输入电压就加在了1 和 2端上， 如果没有变压器， 信号就会被1 和 2 端的导线所短路，而无法加在1 和 3 输入端 上， 同时负载也会被3和4端的导线所短路。但在传输线变压器 中， 由于传输线是绕在磁心上的，它具有变压器工作模式，1和 2端有感抗存在， 信号不会被短路； 3 和4端同样存在感抗，而 使负载也不会被短路。图3-1的1∶1倒相传输线变压器的变压器 等效电路如图3-2所示，变压器工作方式对于实现倒相是必须的。
2U U Ri = =4 = 4 RL I 2I U U Zc = = 2 = 2 RL I 2I
(3-1-13)
(3-1-14)
这里，输入阻抗为负载的四倍，即实现了4∶1阻抗变换。
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I RS
I
＋
U
＋
U
＋
2U RL
RS
＋
U
＋
U
＋
U RL
＋
US
＋
US
－
I Ri (a)
－
－
－
I Ri (b)
将1∶n传输线变压器的输入作为输出， 输出作为输入， 即
第 3 章 功率合成技术
3.2 功率合成原理
3.2.1 传输线变压器混合网络 传输线变压器混合网络 1. 魔T型混合网络 魔T型混合网络如图3-6 所示。它有四个端：Σ端（和端）、 Δ端（差端）、A端和B端。在各端的阻抗都匹配的条件下，魔T 型混合网络具有以下特性： (1) 当输入功率加至Σ端时，在A端和B端得到同相等分的功 率，而Δ端没有功率获得，也就是说Δ端与Σ隔离。
第 3 章 功率合成技术
第 3 章 功率合成技术
3.1 传输线变压器 3.2 功率合成原理 3.3 功率分配原理 3.4 功率合成器方案及保护 qp
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3.1 传输线变压器
3.1.1 基本工作原理 传输线变压器（TransmissionLine Transformer）是将传输 线绕在高导磁率、 低损耗的磁心上构成的。传输线可以是同轴 电缆、带状传输线或双绞线，磁心可采用镍锌高磁导率 （μ=100~400）的铁氧体制成。图3-1(a)为含有传输线变压器的 宽带功率放大器。
－ ＋
Uo
＋
U
－ U/ 2 ＋ － U/ 2 ＋
＋
U RL
Ro
＋
U
＋ U/ 2 － ＋ U/ 2 －＋U Nhomakorabea－
－
＋
Uo
－
－
RL / 2
－
－
Ro / 2 (a) (b)
图 3-3 平衡—不平衡转换 (a) 平衡—不平衡； (b) 不平衡—平衡
第 3 章 功率合成技术 3.1.2 常用的传输线变压器 1. 1∶4和4∶1传输线变压器 在实现阻抗变换的传输线变压器中，最常用的是1∶4和4∶1 阻抗变换传输线变压器。 图3-4(a)是一个1∶4传输线变压器，由图可知，负载RL上两 端电压为2U，流过的电流为I, 信号源两端的输出电压为U，流出 的电流为2I, 则信号源两端的输入阻抗Ri及传输线变压器的特性阻 抗Zc分别为：