传输线变压器在射频功率放大器中的应用

1、传输线变压器在射频功率放大器中的应用张海枝(中国科学院武汉物理与数学研究所波谱与原子分子物理国家重点实验室武汉 430071摘 要 介绍由传输线变压器 (又称为魔 T 混合网络 构成功率合成和功率分配的工作原理 以及在射频大功率放大器中的应用 。关键词射频功率放大器传输线变压器The Appl ica tion of Tran s m ission l i ne Tran sform er i nRad io -frequency power am pl if ierH 1Z 1Zhang(N ati onal key labo rato ry of m agnetic resonance a

2、nd atom ic and mo lecular physiscW uhan institute of physics and m athem atics , Ch inese A cadem y of Sciences , W uhan , 430071AbstractT he p ap er describe the p rinci p le and app licati on of tran s m issi online tran sfo rm er (o r m agic“ T” netw o rk as com pound pow er and assign pow erKey

3、wordsradi o -frequency , pow er am p litier , tran s m issi on line tran sfo rmer .1引言在无线电高频大功率放大器中往往采用功率合成技术来实现多个功率放大器联合工作 , 以解决目 前晶体管还不能提供足够大的输出功率问题, 一个 理想的功率合成电路除了要求无损地合成各个功率放大器的输出功率 、 良好的隔离作用 (即其中任一 放大器的工作状态发生变化或遭到损坏, 不会因此 而引起其它放大器工作状态也随之发生变化影响各自的功率输出 。 还必须具备宽频带 、 很高的上限工 作频率即好的频率覆盖特性(上限频率与下限频率 的

4、比 。 在低频功率放大器中用普通高频变压器作功率合成 。 而在高频功率放大器中变压器的频率特性和频率覆盖系数不能满足要求。 而传输线变压器的 特点是工作频率极宽 , 上限频率可达上千兆 , 频率 覆盖系数可达 104。 广泛用在高频功率放大器中。 下 面介绍传输线变压器工作原理以及在射频功率放大器中的应用 。 2 原理图 1 是用传输线变压器实现功率合成的原理图 , T r 1 即为传输线变压器, 四个端点 a 、 b 、 c 、 d 通过 T r 1 两绕组 , 在 A 、 B 两端接入两个等量反相功率放大器 , 则各节点电流如下 : I =I a -I d =I d -Ib图 1传输线变压

5、器原理图式中 I d 为流过负载 R 1 的电流 , 因而有 :I d =(I a +I b 2(1I =(I a -I b 2相应地流过 R c 的电流为 :I c =2I =I a -I b若 I a =I b 即两功率放大器提供等值反相电流, 则I d =I a =I b而I c =0由于T r 1 两绕组上的电压相等, 因此V a =V b=V 1 2,这样两个功率放大器输出的反相等值功率在 R d 叠加V d I d =V a Ia +V b I b而 C 端无功率输出 。这时每个功率放大器的等效输出负载为:R 1=V a I a =V b I b =V d 2I d =R d 2(

6、3 选择合适的 R d 便可得到各个功率放大器所要求的 输出负载电阻 。若I a =-I b 即两功率放大器提供等值同相电流, 则I c =2I bI d =0即 V d =0 从而使 T r 1 两绕组上的电压均为零。 因而V a =V b =V c两功率放大器输出的同相等值功率在 R c 上叠加V c I c =V a I a +V b I b而 D 端无功率输出 。 这时每个功率放大器的等效输出负载为 :R 1=V a I a =V b I b =2V c I c =2R c (4若 I a 而Ib且 I b 为任意值 , 则由图 1 可知 A 端的电压为 :V a =V d 2+2IR

7、 c 式中 V d =R d I d 将 (1 式代入上式得到 V a =R d I d 2+R c (I a -I b=R d (I a +I b4+R c (I a -I b=I a (R d 4+R c +I b (R d 4-R c若R c 取值为R c =R d 4(5则 V a =R d I a 2 A 端等效电阻仍为R a =R d 2也就是说无论 I b 怎么变化都不会影响A 端的等效负载阻抗 , 换句话说由于某种原因使其中一个 功率放大器的工作状态发生了变化或损坏 , 不会由 此而引起其它功率放大器的工作状态随之发生变化 或损坏 。 因此 (5 式称为魔 T 混合网络的隔离条

8、件 。可见在 A 、 B 两端输入两功率信号在 R d 上可得 到两个反相输入信号被合成的功率输出 。 在 R c 上可 得到两个同相输入信号被合成的功率输出 。同理可证明在 C 端接入一同相功率信号可在A 、 B 两端得到由魔 T 混合网络被分配的功率。 C 端等效负载为R c =R a R b若 R a =R b , 则R c =R b 2=R a 2在 D 端接入一反相功率信号可在 A 、 B 两端得到由 魔 T 混合网络被分配的功率 。 D 端等效负载为R d =R a +R b若R a =R b则R d =2R b =2R a3 传输线变压器在射频功率放大器中的应用图 2 是由魔 T

9、 混合网络组成的, 频率 2M H z 输出功率约 150W 的 R -F 功率放大器 。 Q 1 和 L 、 C 组 成的谐振放大器将输入的方波调谐成正弦波 , 经电 容 C 2 耦合成魔 T 混合网络 T r 1(4 1 衰减 。 T r 2 为魔 T 混合网络接成的功率分配器 , 将 Q 1 放大的 信号均匀地分配给两功率放大管Q 2、 Q 3, Q 2、 Q 3 为 VM O S 场效应管 , 放大后再由 T r 3 作功率合成 器 , 输出给负载 R 5。下面分析 T r 1、 T r 2、 T r 3 在上 述电路中的作用。图 2传输线变压器组成的R -F 功率放大器(1 使功率放

10、大电路大为简化若作变压器替 代T r 1, T r 2 作Q 1 的阻抗匹配转换并完成功率分配 。 首先普通变压器频率稍高, 损耗加大 , 变压器 本身消耗的无功功率也增大 , 这对功率放大器来讲 是极为不利的 。 另外晶体管 Q 1 为了较好的阻抗匹 配必须增大变压器的变比 (初级匝数与次级匝数之 比 , 信号被衰减了加到 Q 2、 Q 3 功放管的推动信号 也必然减小了 。 有时甚至需要增加一级乙类放大以 便推动功率放大管 。 现在由 T r 1 来完成 4 1 的衰 减以达到与 Q 1 的集电极阻抗匹配 。 T r 2接成反相 功率分配器 , 均匀地将 Q 1 放大的信号分配给两功 率放

11、大管使整个功率放大电路无功率损耗降低到最 小限度 。 同时大功率 VM O S 场效应管具有极高的输 入阻抗可以很方便地改变栅极阻抗来实现与魔T 混合网络的阻抗匹配。(2 T r 3 接成功率合成器将经过 Q 2、 Q 3 分别 放大的正 、 负半周的信号合成一个完整的正弦波输 出给负载 。 实验证明 :接入 T r 3 可使负载得到的功 率增加 15%20%, 可见 T r 3 在功率放大器的作 用 。(3 图 2 中 RL =1k 8 根据以上魔 T 混合网络的阻 抗匹配条件可知 Q 2、 Q 3 的漏极负载阻抗为 5008。 R 3=R 4=1008, 对 T r 1 呈现的负载阻抗为 2008, 由于 T r 1 为 4 1 的衰减器 , 根据魔 T 混合网络 的终端匹配原理要求传输线的特性阻抗为4008。 而对 Q 1 的集电极呈现的负载阻抗为 8008。 4 结束语传输线变压器的上限频率理论上可作到无限, 但实际上受磁芯的导磁率、 传输线的长度