功率合成与分配

功率合成与分配第1页/共89页

功率合成：

通过功率合成网络，将多个高频功率放大器的输出功率相加；

功率分配：

通过功率分配网络，将高频信号功率均匀、互不影响地同时分配给多个独立的负载，使每个负载获得功率相等、相位相同（或相反）的信号。

第2页/共89页常用方法：

传输线变压器、传输线定向耦合器和1/4波长传输线等。

功率合成与分配是相互联系的，用作功率合成的晶体管，必须通过功率分配而得到激励信号。

合成网络与分配网络的结构是相同的，其区别不过是信号源与负载相互调换了位置。第3页/共89页第一节

传输线变压器

功率合成与分配

特点：

频带宽、结构简单、插入损耗小；用于VHF频段、小功率等级。

第4页/共89页一、

功率合成网络

第5页/共89页

第6页/共89页1、A端和B端同时加入同频、同相、大小相等的高频信号

流过RA的电流为IA

，流过RB的电流为IB。由传输线理论可知，若终端匹配并忽略传输线本身的损耗时，流过两绕组的电流大小相等，但相对于同名端而言方向相反，即一个流入同名端，一个流出同名端。

第7页/共89页传输线变压器功率合成网络等效电路第8页/共89页∵uSA=uSB=u，RA=RB=R，IA=IB=I，

UA=u-IARA=u-IR，

UB=u-IBRB=u-IR，

∴UA=UB，UAB=0，

I2=0，I1=IA=IB=I，

RD上得到的功率PD=0

第9页/共89页

在匹配的状态下（RC=R/2），每一信号源送出的功率为I2R（I为有效值），负载RC得到的功率为

PC=（2I1）2RC=（2I）2R/2=2I2R，为A、B两点注入功率之和。

C点对地电压：UC=2IR/2=IR

∵uI=2I2R，u=2IR

∴UA=UB=u-IR=2IR-IR=IR=UC，说明A、B、C三点同电位。

第10页/共89页2、

A端和B端同时加入同频、同相、大小不等的高频信号

变压器两绕组的匝数相等，分析时可认为两绕组的电压大小相等，电流相等（相对于同名端而言方向相反）。

第11页/共89页

根据等效电路图可得到以下关系（注意：矢量关系）：

IA=I1+I2

（1-1）

IB=I1-I2，（1-2）

UA=UAC+2I1RC=UAC+I1R（1-3）

UB=UBC+2I1RC=-UCB+I1R（1-4）

第12页/共89页

将式（1-3）和（1-4）相加，得

UA+UB=2I1R（1-5）

∴I1=（UA+UB）/2R（1-6）

而由RD支路可知：

I2=（UA-UB）/2R（1-7）

第13页/共89页功率关系：

设两信号源对外供出的功率分别为

PA=U2A/R和PB=U2B/R，RC上得到的功率PC

：

PC=（2I1）2RC=[2（UA+UB）/2R]2R/2

=1/2（U2A/R+U2B/R）+UAUB/R

=1/2（PA+PB）+

（1-8）

第14页/共89页在RD上得到的功率PD：

PD

（1-9）

第15页/共89页由（1-8）和（1-9）可知，当UA=UB时，

PA=PB，

PC=PA+PB=2P，

PD=0第16页/共89页

当信号源的幅度不相等，例如令PA=2PB，尽管相差2倍，经计算可知，PC=2.9PB(占全部功率的96.67%),PD=0.1PB(占全部功率的3.33%)，负载仍能得到绝大部分功率。第17页/共89页

在PB=0（或PA=0）的特殊情况下，则，PC=0.5PA，PD=0.5PA，即RC和RD各得到一半功率。这种情况代表利用两个晶体管进行同相功率合成时，其中一管损坏，其输出功率为0。另一管的输出功率只有一半送给负载PC，另一半消耗在RD上，负载上得到的功率只有双管工作时的1/4。第18页/共89页3、

A端和B端同时加入同频、幅度相同、相位不同的高频信号

设两信号源对外供出的功率分别为PA=U2A/R和PB=U2B/R两个高频信号之间的相位差为θ。

第19页/共89页RC上得到的功率PC

：

PC

（1-10）

RD上得到的功率PD：

PD

(1-11)

第20页/共89页

若θ=300,

则PC=PB+0.89PB=1.89PB(占94.5%)

PD=PB+0.89PB=0.11PB(占5.5%)

第21页/共89页特例：θ=1800（即反相激励），则根据（1-10）和(1-11)

PC

（1-12）

PD

（1-13）

此时，信号功率将在RD上合成，如PA=PB，RC上得到的功率为0。

第22页/共89页二、

功率分配网络

（一）、同相功率分配

第23页/共89页同相功率分配网络（RC为信号源内阻、RA和RB可视为两晶体管放大器的输入阻抗，RD是平衡电阻）

第24页/共89页

忽略RC后的等效电路

第25页/共89页在匹配状态下，得到下列关系：

IA=I1-I2

（1-14）

IB=I1+I2，（1-15）

∵UAC+U=IARA

及UCB+IBRB=U

得UAC=IARA-U（1-16）

UCB=-IBRB+U（1-17）

第26页/共89页（1-16）与（1-17）相加：

UAC+UCB=UAB=IARA-IBRB=I2RD

（1-18）

（1-16）与（1-17）相减：

IARA-2U+IBRB=0(UAC=UCB)

（1-19）

第27页/共89页将式（1-16）—

（1-19）联立，解得四个电流分别为

IA=2U(RD+2RB)/(RARD+RBRD+4RARB)

(1-20)

IB=2U(RD+2RA)/(RARD+RBRD+4RARB)

(1-21)

I1=2U(RA+RB+RD)/(RARD+RBRD+4RARB)

(1-22)

I2=2U(RA-RB)/(RARD+RBRD+4RARB)

(1-23)

第28页/共89页

令RA=nR,RB=R,RD=2R(R=Z0,为传输线的特性阻抗)，得：

IA=4U/(3n+1)R(1-24)

IB=2(n+1)U/(3n+1)R(1-25)

I1=(n+3)U/(3n+1)R(1-26)

I2=(n-1)U/(3n+1)R(1-27)

第29页/共89页

根据式(1-24)和(1-25)，得：

IA=[2/(n+1)]IB

（1-28）

I2=[(n-1)/2（n+1）]IB

（1-29）

PA =IA

2RA

={[2/(n+1)]IB}2nR

=4n/(n+1)2·IB

2R

=[4n/(n+1)2]·PB

(1-30)

PD=I2

2RD=(1/2)·(n-1)2/(n+1)2

·PB

(1-31)

第30页/共89页

当n=1时，即RA=RB=R：

IA=IB

，PA=PB，PD=0，I2=0

（1-32）

若n=2,即RA和RB相差一倍，经过计算可知:

RA和RB得到的功率分别占总功率的45.8%和51.4%,总功率的2.8%消耗在平衡电阻RD上。第31页/共89页（二）、反相功率分配

反相功率分配网络及等效电路如图

第32页/共89页这里，内阻为RD的信号源接在A、B之间，，RC为平衡电阻。

与同相功率分配网络分析相似，可以得到IA

、IB

、I1

和I2的表达式。

如果RA=RB=R,RC=R/2时，PA=PB（二者的高频电压相位相反）

，PC=0。

第33页/共89页第二节

带状线定向耦合器

功率合成与分配

第34页/共89页

一、3dB带状线定向耦合器

带状线定向耦合器是一个四端口器件，线长为中心频率所对应的波长的1/4，各端口都接以匹配负载。若信号源由端口1接入，则端口2、4有输出，而3端没有输出。

第35页/共89页

带状线定向耦合器结构示意图第36页/共89页带状线定向耦合器有如下特性：

（1）、若信号源由端口1接入,出端2是通过电磁耦合而输出能量，称为耦合端；4端是靠传导而输出能量，称为直通端；3端无能量输出，称为隔离端。

第37页/共89页

（2）、2端输出电压与输入端1输入电压同相，电压大小之比称为电压耦合系数K0=|U2/U1|，，其功率与输入功率之比，称为功率耦合系数C0=K20=|U2/U1|2，通常用dB表示为：

C0=10lg|U2/U1|2(2-2)

根据带状线理论，

即：

P2=0.5P1,用dB表示的耦合度：

20lg|U2/U1|=10lg|U2/U1|2=-3dB

（2-3）第38页/共89页（3）、输出端4的U4与U1的关系：

U4

（2-4）

P4/P1=|U4/U1|2=0.5,10lgP4/P1=-3dB

(2-6)

第39页/共89页(4)、2端的输出功率与隔离端3的输出功率之比，称为定向耦合器的定向系数，通常用dB表示为：

D=10lg|U2/U3|2=10lgP2/P3dB

(2-7)

在理想情况下，U3=0，D为无穷大。实用中一般对D提出一个起码的要求，例如要求大于35dB。

第40页/共89页（5）、电压驻波比（VSWR）：

电压驻波比的定义为：

VSWR=（入射波电压+反射波电压）

/（入射波电压-反射波电压）(2-8)

取决于各端的匹配程度，一般要求小于1.1(相当于反射电压小于0.0476入射电压)。第41页/共89页二、3dB带状线定向耦合器

功率合成与分配

（一）、功率分配

第42页/共89页3dB定向耦合器功率分配第43页/共89页

将输入信号U1（振幅值）加于端口1，各端口功率关系如下：

P1=U12/2R

P2= =(1/2)P1

P3=0

P4= =(1/2)P1

2端和4端各分得一半的输入功率,实现了功率分配(但电压相位差900)第44页/共89页（二）功率合成

将两个相位差900的信号源分别加在3dB定向耦合器的两个相互隔离端,例如2端和4端,则可实现在3端的功率合成。

第45页/共89页3dB定向耦合器功率合成第46页/共89页设

,

,对于u2而言,

1端为耦合端,得到同相的耦合电压

U1

而3端为直通端,得到落后900的直通电压

U3

第47页/共89页对于u4而言,3端为耦合端,得到同相的耦合电压

U3”=U4，而1端为直通端,得到落

后900的直通电压

U”1=U4

第48页/共89页因此,在两个电源的共同作用下,当U2=U4=U时：

1端的输出电压为U1=U1+U”1=

U2+U4=0，

3端的输出电压为U3=U3+U”3=

U2+U4=U。

第49页/共89页端口2和4输入功率分别为：

P2=(1/2)U2/R，P4=(1/2)U2/R

1端输出功率为P1=0；

3端输出功率为P3=(1/2)（U）2/R

=2P2=2P4

当U2和U4相位差900，但U2≠U4时，会有少量的功率传到1端的吸收电阻而被消耗掉。

第50页/共89页第三节

调频与电视广播用

双工器与多工器

第51页/共89页

调频广播或电视广播发射机，可借助双工器或多工器，实现不同频率的信号功率的合成，共用一条馈线和一套天线。

第52页/共89页一、等臂3dB桥双工器和多工器

（一）、等臂3dB桥滤波式双工器

分别将两个3dB耦合器和滤波器对臂连接成桥式，构成桥式双工器。滤波器可分为带阻式（陷波式）和带通式两种。

第53页/共89页1、等臂3dB桥带阻式双工器

第54页/共89页等臂3dB桥带阻式双工器构成

第55页/共89页

图像信号由3dB定向耦合器I送入，经耦合器I进行功率分配（两路电压相差900），两个带阻（对伴音而言）滤波器对图像信号来说无影响，可以畅通无阻地通过，两路相差900的图像电压，通过耦合器II，在天线端实现功率合成。

第56页/共89页

伴音信号由3dB定向耦合器II送入，经进行功率分配，两路电压相差900，沿着等臂长向两个带阻(对伴音而言)滤波器传去，形成全反射后又返回耦合器II，也在天线端进行功率合成。

第57页/共89页

带阻滤波器并非理想，漏过的伴音信号送入耦合器I，在吸收电阻R0上合成而消耗掉，而不会送到图像发射机。等臂3dB桥带阻式双工器既实现了在天线上的功率合成，又使图像发射机和伴音发射机相互隔离。

第58页/共89页2、等臂3dB桥带通式双工器

第59页/共89页等臂3dB桥带通式双工器构成

第60页/共89页

与等臂3dB桥带阻式双工器不同，一是将图像与伴音信号的位置相互对调，二是两个滤波器对伴音信号是带通（对图像来说是带阻）。分析方法同上，在正常工作情况下，图像与伴音信号在天线合成。

第61页/共89页3、实用的电视广播双工器

有效抑制fv

–4.43MHz（fv为图像载波频率）频率成分，降低对邻频道的干扰，是实际的图像与伴音双工器要考虑的问题。

第62页/共89页实用的电视广播双工器

第63页/共89页组成部分：3dB定向耦合器I和II，两个伴音反射器，两个（fv

–4.43MHz）频率成分反射器，一个吸收电阻R0。

第64页/共89页工作原理如下：

图像信号：由3dB定向耦合器I的1端输入，由2端和4端输出两路差相900的信号。反射元件对图像信号呈并联谐振，故无反射而直接送到3dB定向耦合器II的1端和3端，在耦合器II的4端功率合成而送往天线，在2端相互抵消，不影响伴音发射机。

第65页/共89页

伴音信号：由3dB定向耦合器II的2端输入，经3dB定向耦合器II的1端和3端输出两路差相900的信号，由于伴音反射器对伴音信号呈短路状态，两路信号在此形成全反射，又返回3dB定向耦合器II的1端和3端，最后在3dB定向耦合器II的4端功率合成而送往天线，在2端相互抵消而不返回伴音发射机。第66页/共89页

实际上伴音反射器对伴音信号不可能实现理想全反射，回有少量的功率传到3dB定向耦合器I，如果漏过去的功率相同，二者将在耦合器I的1端相互抵消而不会影响图像发射机，在耦合器I的3端相叠加，被吸收电阻吸收。

第67页/共89页

图像发射机送来的图像信号中的fv–4.43MHz频率成分，经fv

–4.43MHz反射器全反射后，返回耦合器I的2端和4端，最后在1端相抵消而不送回图像发射机，在3端叠加而被吸收电阻吸收。第68页/共89页（二）、等臂3dB桥滤波式多工器

由两个等臂3dB桥可构成三工器，可以实现三种不同频率的信号合成，例如一套电视节目的图像与伴音以及一套调频节目的功率合成。

第69页/共89页1、等臂3dB桥带阻式三工器

第70页/共89页等臂3dB桥带阻式三工器原理图

第71页/共89页

第一个3dB桥中的滤波器对伴音信号来说是带阻，对图像信号来说是带通；伴音和图像信号先在第一个3dB桥中合成后，送入第二个3dB桥，再与FM信号在天线合成。第二个3dB桥中的滤波器对FM信号是带阻，对图像与伴音信号来说是带通。

第72页/共89页

2、等臂3dB桥带通式三工器

第73页/共89页等臂3dB桥带通式三工器原理图第74页/共89页二、星形双工器

最简单的星形双工器适用于调频广播发射机。第75页/共89页

陷波器组成的星形双工器

第76页/共89页

陷波器N2对信号f1呈现高阻抗，而陷波器N1对信号f1形成串联谐振，呈现极低阻抗，相当于λ1/4传输线的负载为0，其输入阻