第10章功率合成与分配ppt课件.ppt

第十章 功率合成与分配技术中国传媒大学信息工程学院2007年10月,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。,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。,一、功率合成网络,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。,传输线变压器功率合成网络等效电路,uSA=uSB=u，RA=RB=R，IA=IB=I，UA=u-IA RA=u-I R，UB=u-IB RB=u-I R，UA=UB，UAB=0，I2=0，I1=IA=IB=I，RD上得到的功率PD=0,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=（2 I1）2 RC=（2 I）2 R/2=2 I2 R，为A、B两点注入功率之和。C点对地电压：UC=2IR/2=IRu I=2 I2R，u=2 IRUA=UB=u-IR=2 IR-IR=IR=UC，说明A、B、C三点同电位。,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）。,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）,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）,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）/2R2 R/2=1/2（U2A/R+U2B/R）+UAUB/R=1/2（PA+PB）+（1-8）,在RD上得到的功率PD：PD（1-9）,由（1-8）和（1-9）可知，当UA=UB时，PA=PB，PC=PA+PB=2P，PD=0,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=2.9 PB(占全部功率的96.67%),PD=0.1 PB(占全部功率的3.33%)，负载仍能得到绝大部分功率。,在PB=0（或PA=0）的特殊情况下，则，PC=0.5 PA，PD=0.5 PA，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。,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。,RC上得到的功率 PC：PC（1-10）RD上得到的功率PD：PD(1-11),若=300,则PC=PB+0.89PB=1.89 PB(占94.5%)PD=PB+0.89PB=0.11 PB(占5.5%),特例：=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。,二、功率分配网络（一）、同相功率分配,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）,忽略RC后的等效电路,在匹配状态下，得到下列关系：IA=I1-I2（1-1 4）IB=I1+I2，（1-15）UAC+U=IARA 及UCB+IBRB=U 得UAC=IARA-U（1-16）UCB=-IBRB+U（1-17）,（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）,将式（1-16）（1-19）联立，解得四个电流分别为IA=2U(RD+2RB)/(RARD+RBRD+4 RARB)(1-20)IB=2U(RD+2RA)/(RARD+RBRD+4 RARB)(1-21)I1=2U(RA+RB+RD)/(RARD+RBRD+4 RARB)(1-22)I2=2U(RA-RB)/(RARD+RBRD+4 RARB)(1-23),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),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 2 RA=2/(n+1)IB 2 nR=4n/(n+1)2 IB 2R=4n/(n+1)2PB(1-30)PD=I2 2 RD=(1/2)(n-1)2/(n+1)2 PB(1-31),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。,（二）、反相功率分配反相功率分配网络及等效电路如图,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。,第二节带状线定向耦合器 功率合成与分配,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。,带状线定向耦合器结构示意图,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。,（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=10 lg|U2/U1|2(2-2)根据带状线理论，即：P2=0.5 P1,用dB表示的耦合度：20 lg|U2/U1|=10 lg|U2/U1|2=-3dB（2-3）,（3）、输出端4的 U4与U1的关系：U4（2-4）P4/P1=|U4/U1|2=0.5,10 lg P4/P1=-3dB(2-6),(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=10 lg|U2/U3|2=10 lg P2/P3 dB(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35 dB。,（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)。,二、3dB带状线定向耦合器功率合成与分配（一）、功率分配,3 dB定向耦合器功率分配,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=0P4=(1/2)P12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),（二）功率合成 将两个相位差900的信号源分别加在3 dB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。,3 dB定向耦合器功率合成,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,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,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。,端口2和4输入功率分别为：P2=(1/2)U2/R，P4=(1/2)U2/R1端输出功率为P1=0；3端输出功率为P3=(1/2)（U）2/R=2 P2=2P4 当U2和U4相位差900，但U2U4时，会有少量的功率传到1端的吸收电阻而被消耗掉。,第三节调频与电视广播用 双工器与多工器,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。,一、等臂3 dB 桥双工器和多工器（一）、等臂3 dB 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。,1、等臂3 dB 桥带阻式双工器,等臂3 dB桥带阻式双工器构成,图像信号由3 dB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。,伴音信号由3 dB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。,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3 dB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。,2、等臂3 dB 桥带通式双工器,等臂3 dB 桥带通式双工器构成,与等臂3 dB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。,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。,实用的电视广播双工器,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。,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。,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。,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。,图像发射机送来的图像信号中的fv4.43MHz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。,（二）、等臂3 dB 桥滤波式多工器 由两个等臂3 dB 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。,1、等臂3 dB 桥带阻式三工器,等臂3 dB 桥带阻式三工器原理图,第一个3 dB 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3 dB 桥中合成后，送入第二个3 dB 桥，再与FM信号在天线合成。第二个3 dB 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。,2、等臂3 dB 桥带通式三工器,等臂3 dB 桥带通式三工器原理图,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。,陷波器组成的星形双工器,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1/4传输线的负载为0，其输入阻抗为无穷大，即图的右侧部分对信号f1呈现高阻抗，促使信号f1直接送往天线；同理，图的左侧部分对信号f2呈现高阻抗，促使信号f2直接送往天线。,也可用带通滤波器构成星形双工器，它由f1和f2带通滤波器和一个分支电路组成。,带通滤波器组成的星形双工器,f1带通滤波器使频率为f1的信号顺利到达分支点，由于f2带通滤波器对f1呈现低阻抗，经1/4传输线的阻抗变换，在分支点对f1来说相当于开路，于是，f1的信号功率只送往天线。,同理，f1带通滤波器对f2呈现低阻抗，经2/4传输线的阻抗变换，在分支点对f2来说相当于开路，于是，f2的信号功率只送往天线。带通滤波器类似双回路并联谐振电路，输入输出采用耦合环耦合。,星形双工器的特点是线路简单，造价低。但是，它只是通过一组带通滤波器隔离，f1与f2之差不能太小。当f1-f2=1.3MHz时，隔离度只有20dB,当f1-f2=2.0MHz时,隔离度只有27dB。,三、星形滤波式多工器,三部发射机经过三个带通滤波器和三段馈线汇接于O点（称为星点），由O点将三路合成的信号送往天线。F1、F2、F3是三个不同频率的信号的带通滤波器，通带宽度与三个信号的要求相应，有足够小的插入损耗。,星形滤波式三工器构成原理图,谐振于f2和f3的带通滤波器 F2和F3及其引线L2和L3在星点O并联后，对频率为f1的信号来说，呈并联谐振，呈现高阻抗，使f1信号直接送往天线。同理，F1和F3及其引线L1和L3在星点O并联后，对频率为f2的信号呈现高阻抗；F1和F2及其引线L1和L2在星点O并联后，对频率为f3的信号呈现高阻抗。三路信号可以互不影响地在天线合成。,四、混合型三工器当输入频道中最高频率和最低频率相差4MHz以上时，可以把星形双工器与3dB桥形双工器组合成混合型三工器。,混合型三工器构成,