功率合成技术

1、第第 1 章章 功率电子线路功率电子线路1.4功率合成技术功率合成技术 用传输线变压器构成的魔用传输线变压器构成的魔 T 混合网络混合网络功率合成技术就是将功率合成技术就是将多个功率放大器的输出功多个功率放大器的输出功率叠加起来，给负载提供率叠加起来，给负载提供足够大的输出功率。足够大的输出功率。 一、功率合成一、功率合成A，B 两端输入等值两端输入等值同相功率，同相功率，C 端负载端负载 Rc获得两输入功率的合成，获得两输入功率的合成，而而 D 端负载端负载 Rd 上无功率上无功率输出。输出。 A，B 两端输入等值两端输入等值同相功率，同相功率，C 端负载端负载 Rc获得两输入功率的合成，获

2、得两输入功率的合成，而而 D 端负载端负载 Rd 上无功率上无功率输出。输出。 A、B 两输入端输入两输入端输入等值反相功率，等值反相功率，D 端负载端负载Rd 获得两输入功率的合获得两输入功率的合成，而成，而 C 端负载端负载 Rc 上上无功率输出。无功率输出。 二、彼此隔离二、彼此隔离当当 Rd 和和 Rc 之间满之间满足特定关系时，足特定关系时，A、B 两两输入端彼此隔离，任一端输入端彼此隔离，任一端功率放大器的工作状态变功率放大器的工作状态变化或损坏时，不会影响另化或损坏时，不会影响另一端功率放大器的工作状一端功率放大器的工作状态，并维持原输出功率。态，并维持原输出功率。 三、功率分配

3、三、功率分配当当 Ra = = Rb 时，将功时，将功率放大器加在率放大器加在 D 端，功端，功率放大器的输出功率均等率放大器的输出功率均等地分配给地分配给 Ra 和和 Rb ，且，且它们之间是反相的，而它们之间是反相的，而 C 端无功率输出。端无功率输出。 将功率放大器加将功率放大器加 C端，端，功率放大器的输出功率均功率放大器的输出功率均等地分配给等地分配给 Ra 和和 Rb，且，且它们之间是同相的，而它们之间是同相的，而 D 端无功率输出。端无功率输出。 一个理想的功率合成电路应该具有以下特点：一个理想的功率合成电路应该具有以下特点： N 个同类型的功率放大器，它们的输出振幅相等，个同类

4、型的功率放大器，它们的输出振幅相等，通过功率合成器输出给负载的功率应等于各功率放大器输通过功率合成器输出给负载的功率应等于各功率放大器输出功率的和。出功率的和。 与功率合成器连接的各功率放大器彼此隔离，任何与功率合成器连接的各功率放大器彼此隔离，任何一个功率放大器发生故障时，不影响其他放大器的功率输一个功率放大器发生故障时，不影响其他放大器的功率输出。出。 实现功率合成的电路种类很多，一般都由无源元件组实现功率合成的电路种类很多，一般都由无源元件组成，统称为魔成，统称为魔 T 混合网络。在实际应用中，往往需要混合网络。在实际应用中，往往需要功率功率合成电路具有宽带特性合成电路具有宽带特性，这种

5、功率合成电路由，这种功率合成电路由传输线变压传输线变压器构成器构成。 一、变压器和传输线的工作频带一、变压器和传输线的工作频带高频变压器：由于线圈的漏感和匝间分布电容的作用，高频变压器：由于线圈的漏感和匝间分布电容的作用，其上限频率只能工作在几十兆赫，下限频率受有限激磁电其上限频率只能工作在几十兆赫，下限频率受有限激磁电感量的限制。感量的限制。 传输线：传输线就是连接信号源和负载的两根导线，传输线：传输线就是连接信号源和负载的两根导线，它的上限频率与导线长度它的上限频率与导线长度 l 有关，有关，l 越小，上限频率越小，上限频率 fH 越越高。当信号波长远大于导线长度时，传输线就是两根普通高。

6、当信号波长远大于导线长度时，传输线就是两根普通的连接线，它的下限频率为零。的连接线，它的下限频率为零。 传输线如图传输线如图 143 所示。所示。图图 1- -4- -3传输线传输线设上限频率设上限频率 fH 对应的对应的波长为波长为 min , ,取取min10181 = =l* * *可以认为：可以认为： 在上限频在上限频率范围内，线上电压和电率范围内，线上电压和电流出处相等。流出处相等。（条件：传输条件：传输线是无损耗的，即线是无损耗的，即R Rs s=R=RL L=Z=Zc c）v1 = = v2 = = v，i1 = = i2 = = i 二、传输线变压器的工作原理二、传输线变压器的

7、工作原理传 输 线 变 压传 输 线 变 压器原理图如图器原理图如图 1 44( (a) )所示。所示。 将 传 输 线 绕将 传 输 线 绕于磁环上便构成于磁环上便构成传输线变压器。传输线变压器。传输线可以是同传输线可以是同轴电缆、双绞线、轴电缆、双绞线、或带状线，磁环或带状线，磁环一般是镍锌高磁一般是镍锌高磁导率的铁氧体。导率的铁氧体。 参见参见图图 144( (b) )，在高频时，传输线变压器以电磁能，在高频时，传输线变压器以电磁能交替变换的传输方式传送能量。交替变换的传输方式传送能量。如如图图 144( (c) )所示，在低频时，所示，在低频时，由于传输线绕在磁由于传输线绕在磁环上，环

8、上，1 端和端和 2 端端与与 3 端和端和 4 端的端的短导线成为较大的短导线成为较大的电感线圈，避免了电感线圈，避免了信号源和负载被短信号源和负载被短接，实现了倒相作接，实现了倒相作用。用。能量通过传输能量通过传输线方式和磁耦合方线方式和磁耦合方式传送式传送。三、传输线变压器功能三、传输线变压器功能1对称与不对称变换对称与不对称变换对称对称 不对称变换，将对地对称的双端输入信号转换不对称变换，将对地对称的双端输入信号转换为对地不对称的单端输出信号，如为对地不对称的单端输出信号，如图图 146( (a) )所示。所示。图图 1-4-6对称与不对称变压器对称与不对称变压器( (a) ) 对称对

9、称- -不对称不对称( (b) ) 不对称不对称- -对称对称不对称不对称 对称变换，将对地不对称的单端输入信号转对称变换，将对地不对称的单端输入信号转换为对地对称的双端输出信号，如图换为对地对称的双端输出信号，如图 146( (b) )所示。所示。 ( (a) ) 对称对称 不对称不对称( (b) ) 不对称不对称 对称对称2阻抗变换器阻抗变换器传输线变压器可以构成阻抗变换器，由于结构的限制，传输线变压器可以构成阻抗变换器，由于结构的限制，通常只能实现特定的阻抗比的通常只能实现特定的阻抗比的变换变换。4 : 1 阻抗变换器阻抗变换器如如图图 147( (a) )所示所示，图中阻抗关系为，图中

10、阻抗关系为 ivivR22oL= = =Li4242RivivR= = = =ivivR22oL= = =Li4242RivivR= = = =实现实现 4 : 1 的阻抗变换。传输线变压器的特性阻抗为的阻抗变换。传输线变压器的特性阻抗为 Lc222RivivZ= = = =1 : 4 阻抗变换器阻抗变换器如如图图 147( (b) )所示所示，图中阻抗关系为，图中阻抗关系为 ivivR2oL= = =Li41422RivivR= = = =实现实现 1 : 4 的阻抗变换。传输线变压器的特性阻抗为的阻抗变换。传输线变压器的特性阻抗为Lc21221RivivZ= = = =用传输线变压器构成的

11、用传输线变压器构成的魔魔 T 混合网络混合网络一、功率合成一、功率合成输入信号接在输入信号接在 A 端和端和 B 端，根据节点端，根据节点方程方程 i = = ia - - id，i = = id - - ib i = = ia - - id，i = = id - - ib 求出求出 )(21badiii = =)(21baiii- -= =而而ic = = 2i = = ia - - ib i = = ia - - id，i = = id - - ib )(21badiii = =)(21baiii- -= =ic = = 2i = = ia - - ib 1输入为等值反相信号输入为等值反相

12、信号 ia = = ib = = Imsin t，va = = vb = = Vmsin t 因为因为 ic = = 0，所以，所以 C 端无功率输出。端无功率输出。 vd = = va vb = = 2Vmsin t，tIiii sin)(21mbad= = = = ia = = ib = = Imsin t，va = = vb = = Vmsin t 因为因为 ic = = 0所以所以 C 端无功率输出。端无功率输出。 vd = = va vb = = 2Vmsin t，tIiii sin)(21mbad= = = =D 端的输出功率端的输出功率bammd22PPIVP = = =输出功率

13、为输出功率为 A 端输入功率和端输入功率和 B 端输入功率的和。端输入功率的和。 每个功率放大器的等效负载每个功率放大器的等效负载22/dddbbaaLRivivivR= = = = =2输入为等值同相信号输入为等值同相信号 ia = - = -ib = = Imsin t， va = - = -vb = = Vmsin t 因为因为 id = = 0所以所以 D 端无功率输出。端无功率输出。 vc = = va = - = -vb = = Vmsin t， ic = = ia - - ib = = 2Imsin tC 端的输出功率端的输出功率bammc22PPIVP = = =输出功率为输出

14、功率为 A 端输入功率和端输入功率和 B 端输入功率的和。端输入功率的和。 2输入为等值同相信号输入为等值同相信号 ia = - = -ib = = Imsin t， va = - = -vb = = Vmsin t 因为因为 id = = 0，所以所以 D 端无功率输出。端无功率输出。 vc = = va = - = -vb = = Vmsin t， ic = = ia - - ib = = 2Imsin tC 端的输出功率端的输出功率bammc22PPIVP = = =输出功率为输出功率为 A 端输入功率和端输入功率和 B 端输入功率的和。端输入功率的和。 每个功率放大器的等效负载每个功率

15、放大器的等效负载cccbbaaL22/RivivivR= = = = =3异常输入情况异常输入情况 ia ib，va vb 根据电路的约束条件根据电路的约束条件cbdca221iRRivvv = = = =cbdcb221iRRivvv- -= =- -= =将将)(21badiii = =)(21baiii- -= =代入并整理，求解出代入并整理，求解出cdcdbcdcdaa44RRRRvRRRRvi- - - = =cdcdacdcdbb44RRRRvRRRRvi- - - = =cdcdbcdcdaa44RRRRvRRRRvi- - - = =cdcdacdcdbb44RRRRvRRRR

16、vi- - - = =若取若取dc41RR = =ia 仅与仅与 va 有关，有关，ib 仅与仅与 vb 有关。实现了有关。实现了 A 端和端和 B 端的隔端的隔离，称为离，称为 A、B 间的隔离条件。间的隔离条件。 二、功率分配二、功率分配1同相功率分配同相功率分配同相功率分配电路如同相功率分配电路如图图 149( (a) )所示。所示。 ic = 2i ，ia = i - - id ，ib = i + id ，vd = idRd = iaRa - - ibRb整理得到整理得到badbacbadbad21RRRRRiRRRRRii - -= = - -= =图图 149功率分配电路功率分配电路( (a) ) 同相同相ic = 2i ，ia = i - - id ，ib = i + id ， vd = idRd = iaRa - - ibRbbadbacbadbad21RRRRRiRRRRRii - -= = - -= =取取 Ra = = Rb = = R 则则id = = 0D 端无功率输出。端无功率输出。 ia = = ib = = ic /2A 端和端和 B 端获得等值同相功端获得等值同相功率。率。 C 端的等效负