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1、第十章 功率合成与分配技术功率合成：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、功率合成网络传输线变压器功率合成网络如图1-1
2、 所示。图 1-1 传输线变压器功率合成网络uSA和uSB是频率相同、幅度相等的信号源，RA和RB为内阻，RC为和端电阻，RD为差端电阻，R =Z0 为传输线变压器的特性阻抗。将图 1-1 等效为图1-2。图 1-2 传输线变压器功率合成网络等效电路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。AABB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，如图1-2 所示。VUSA= USB =u，RA= RB = R，IA = IB = I
3、，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）2RC= （2 I） 2R/2=2 I2 R,为A、B两点注入功率之和。C 点对地电压 ：UC =2IR/2= IRVu I=2 I2R，u =2 IRAU =U = u- IR=2 IR- IR= IR= U ,说明 A、B、C 三点同电位。A BC2、A端和B端同时加入同频、同
4、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）。根据图 1-2 可得到以下关系（注意：矢量关系）：I1+ II1-I2UA = UAC +2I1RC= UAC+ I1RUB = UBC +2I1RC= -UCB+I1R 将式(1-3)和(1-4)相加，得1-3)U+UA=2I1R1-1 )1-2)( 1-4)( 1-5)/.I = (U +U ) /2R(1-6)1 A B而由 RD支路可知：I2= (UA-UB) /2R(1-7)D 2 A B下面观察一下功率关系：设两信号源对外供出的功率分别为PA= U2A /R和PB
5、=U2B/R ,RC上得到的功率PC :PC=(2I)2R = 2(U +U)/2R2 R/2=1/2(3人 /R + U2/R)+ U U/R=1/2(P +P)+PP1CA BABA BA B A B(1-8)在RD上得到的功率PD：PD =I22RD= (UA-UB)/2R2 2R=1/2 (U2a /R +U2B/R)-UaUB/R=1/2(PA+PB)-、PT A B1-9)由（1-8）和（1-9）可知，当UA=UB时，PA =PB，PC = PA +PB = 2P，PD =0O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9
6、6.67%）, 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，贝I，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e 。 RC上得到的功率PC :(1-10)(1
7、-11)1-12)1-13)pc = 1/2 (pa +pb) +、,.ppcoseA BRD上得到的功率PD：pd = 1/2 (pa +pb) -” TP cose若e =300,则 P =P +0.89P =1.89 P (占 94.5%)C B B BPD = PB +0.89PB=0.11 PB (占5.5%)PC = 1/2(Pa +PB)WA B特例： e =1800(即反相激励)，贝根据(1-10)和 (1-11)PD = 1/2 (PA +PB) + PTA B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
8、络如图1-3 （a）所示。RC为信号源内阻，忽略RC后的等效电路如图1-3 （b）所示。 RA和RB可视为两晶体管放大器的输入阻抗，RD是平衡电阻。图1-3同相功率分配网络在匹配状态下，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(I8)(1-16)与(1-17)相减： IARA- 2U +IBRB =0(UAC =UCB)(1
9、-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)AI = 2 (n+1) U / (3n+1)R(1-25)
10、BII = (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)I= (n- 1) / 2(n+1) I(1-29)2BP = I 2 R =2 / (n+1) I 2 nR=4n/(n+1)2 I 2R=4n/(n+1)2 P (1-30)A A A B B BPD = I22 RD =(1/2) (n-1)2 /(n+1)2 PB(1-31)当 n=1 时，即 R = R =R ：ABIA = IB ， PA = PB ， PD =0 ， I2=0(1-32
11、)若n=2，即RA和RB相差一倍，经过计算可知，ABRa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。A B D(二)、反相功率分配反相功率分配网络及等效电路如图图1-4 所示图 1-4 反相功率分配网络与图1-3不同的是内阻为RD的信号源接在A、B之间，忽略RD后等效电路如图1-4 (b)所示， 图中的RC为平衡电阻。与同相功率分配网络分析相似，可以得到lA、IB 、片 和打的表达式。如果Ra = RB =R, RC =R/2A B12A Bc时， PA = PB (二者的高频电压相位相反) ， Pc =0。A Bc第二节 带状线定向耦合器功率合
12、成与分配一、3dB带状线定向耦合器图 2-1 所示是带状线定向耦合器结构示意图。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。图 2-1 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）、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=IU2/UI,其功率 与输入功率之比，称为功率耦合系数C0= K20= IU2/U|2，通常
13、用dB表示为：C0=10 lg IU2/U1I2（2-2）迈一根据带状线理论，K0= ， K20=O.5,即P2=0.5 P,用dB表示的耦合度：20 lg IU2/U1I=10 lg IU2/U1I2=-3dB 。（2-3）（3）、输出端4的U4与U的关系：迈 e j900U4=（）U,（2-4）4 2 1P4/ P1= IU4/U1I2=0.5 , 10 lg P4/ P1 =-3dB（2-6）、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 IU2/U3I2 = 10 lg P2/P3（ dB）（2-7）在理想情况下，U3=0, D为无
14、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）、功率分配将输入信号U1 （振幅值）加于端口 1，如图2-2所示，各端口功率关系如下：P1= （1/2）U12/RP2= （1（U1）2 /R = （1/2） P1P3=0P4= （1（丁 U）2 /R = （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
15、相位差900）图 2-2 3 dB 定向耦合器功率分配（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，例如如图2-3所示的2端 和4端,则可实现在3端的功率合成。现分析如下:设u2= U2 ej , u4= U4 790,对于u2而言,1端为耦合端,得到同相的耦合电压U = U2 ej0而3端为直通端，得到落后900的直通电压U3= U2ej90。对于u4而言,3端为耦合端，得到同相J2e- /900J2幺-/180ej0、辽5+f的耦合电压U3”= U4，而1端为直通端，得到落后900的直通电压 一=丁5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5=6 +U=e-j9002 e-j9。0+ 2 U4迈u e
