功率合成技術(shù)

1、第第 1 章章 功率電子線路功率電子線路1.4功率合成技術(shù)功率合成技術(shù) 用傳輸線變壓器構(gòu)成的魔用傳輸線變壓器構(gòu)成的魔 T 混合網(wǎng)絡(luò)混合網(wǎng)絡(luò)功率合成技術(shù)就是將功率合成技術(shù)就是將多個(gè)功率放大器的輸出功多個(gè)功率放大器的輸出功率疊加起來(lái)，給負(fù)載提供率疊加起來(lái)，給負(fù)載提供足夠大的輸出功率。足夠大的輸出功率。 一、功率合成一、功率合成A，B 兩端輸入等值兩端輸入等值同相功率，同相功率，C 端負(fù)載端負(fù)載 Rc獲得兩輸入功率的合成，獲得兩輸入功率的合成，而而 D 端負(fù)載端負(fù)載 Rd 上無(wú)功率上無(wú)功率輸出。輸出。 A，B 兩端輸入等值兩端輸入等值同相功率，同相功率，C 端負(fù)載端負(fù)載 Rc獲得兩輸入功率的合成，獲

2、得兩輸入功率的合成，而而 D 端負(fù)載端負(fù)載 Rd 上無(wú)功率上無(wú)功率輸出。輸出。 A、B 兩輸入端輸入兩輸入端輸入等值反相功率，等值反相功率，D 端負(fù)載端負(fù)載Rd 獲得兩輸入功率的合獲得兩輸入功率的合成，而成，而 C 端負(fù)載端負(fù)載 Rc 上上無(wú)功率輸出。無(wú)功率輸出。 二、彼此隔離二、彼此隔離當(dāng)當(dāng) Rd 和和 Rc 之間滿之間滿足特定關(guān)系時(shí)，足特定關(guān)系時(shí)，A、B 兩兩輸入端彼此隔離，任一端輸入端彼此隔離，任一端功率放大器的工作狀態(tài)變功率放大器的工作狀態(tài)變化或損壞時(shí)，不會(huì)影響另化或損壞時(shí)，不會(huì)影響另一端功率放大器的工作狀一端功率放大器的工作狀態(tài)，并維持原輸出功率。態(tài)，并維持原輸出功率。 三、功率分配

3、三、功率分配當(dāng)當(dāng) Ra = = Rb 時(shí)，將功時(shí)，將功率放大器加在率放大器加在 D 端，功端，功率放大器的輸出功率均等率放大器的輸出功率均等地分配給地分配給 Ra 和和 Rb ，且，且它們之間是反相的，而它們之間是反相的，而 C 端無(wú)功率輸出。端無(wú)功率輸出。 將功率放大器加將功率放大器加 C端，端，功率放大器的輸出功率均功率放大器的輸出功率均等地分配給等地分配給 Ra 和和 Rb，且，且它們之間是同相的，而它們之間是同相的，而 D 端無(wú)功率輸出。端無(wú)功率輸出。 一個(gè)理想的功率合成電路應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：一個(gè)理想的功率合成電路應(yīng)該具有以下特點(diǎn)： N 個(gè)同類(lèi)型的功率放大器，它們的輸出振幅相等，個(gè)同類(lèi)

4、型的功率放大器，它們的輸出振幅相等，通過(guò)功率合成器輸出給負(fù)載的功率應(yīng)等于各功率放大器輸通過(guò)功率合成器輸出給負(fù)載的功率應(yīng)等于各功率放大器輸出功率的和。出功率的和。 與功率合成器連接的各功率放大器彼此隔離，任何與功率合成器連接的各功率放大器彼此隔離，任何一個(gè)功率放大器發(fā)生故障時(shí)，不影響其他放大器的功率輸一個(gè)功率放大器發(fā)生故障時(shí)，不影響其他放大器的功率輸出。出。 實(shí)現(xiàn)功率合成的電路種類(lèi)很多，一般都由無(wú)源元件組實(shí)現(xiàn)功率合成的電路種類(lèi)很多，一般都由無(wú)源元件組成，統(tǒng)稱(chēng)為魔成，統(tǒng)稱(chēng)為魔 T 混合網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要混合網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要功率功率合成電路具有寬帶特性合成電路具有寬帶特性，這種

5、功率合成電路由，這種功率合成電路由傳輸線變壓傳輸線變壓器構(gòu)成器構(gòu)成。 一、變壓器和傳輸線的工作頻帶一、變壓器和傳輸線的工作頻帶高頻變壓器：由于線圈的漏感和匝間分布電容的作用，高頻變壓器：由于線圈的漏感和匝間分布電容的作用，其上限頻率只能工作在幾十兆赫，下限頻率受有限激磁電其上限頻率只能工作在幾十兆赫，下限頻率受有限激磁電感量的限制。感量的限制。 傳輸線：傳輸線就是連接信號(hào)源和負(fù)載的兩根導(dǎo)線，傳輸線：傳輸線就是連接信號(hào)源和負(fù)載的兩根導(dǎo)線，它的上限頻率與導(dǎo)線長(zhǎng)度它的上限頻率與導(dǎo)線長(zhǎng)度 l 有關(guān)，有關(guān)，l 越小，上限頻率越小，上限頻率 fH 越越高。當(dāng)信號(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于導(dǎo)線長(zhǎng)度時(shí)，傳輸線就是兩根普通高。

6、當(dāng)信號(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于導(dǎo)線長(zhǎng)度時(shí)，傳輸線就是兩根普通的連接線，它的下限頻率為零。的連接線，它的下限頻率為零。 傳輸線如圖傳輸線如圖 143 所示。所示。圖圖 1- -4- -3傳輸線傳輸線設(shè)上限頻率設(shè)上限頻率 fH 對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為 min , ,取取min10181 = =l* * *可以認(rèn)為：可以認(rèn)為： 在上限頻在上限頻率范圍內(nèi)，線上電壓和電率范圍內(nèi)，線上電壓和電流出處相等。流出處相等。（條件：傳輸條件：傳輸線是無(wú)損耗的，即線是無(wú)損耗的，即R Rs s=R=RL L=Z=Zc c）v1 = = v2 = = v，i1 = = i2 = = i 二、傳輸線變壓器的工作原理二、傳輸線變壓器的

7、工作原理傳 輸 線 變 壓傳 輸 線 變 壓器原理圖如圖器原理圖如圖 1 44( (a) )所示。所示。 將 傳 輸 線 繞將 傳 輸 線 繞于磁環(huán)上便構(gòu)成于磁環(huán)上便構(gòu)成傳輸線變壓器。傳輸線變壓器。傳輸線可以是同傳輸線可以是同軸電纜、雙絞線、軸電纜、雙絞線、或帶狀線，磁環(huán)或帶狀線，磁環(huán)一般是鎳鋅高磁一般是鎳鋅高磁導(dǎo)率的鐵氧體。導(dǎo)率的鐵氧體。 參見(jiàn)參見(jiàn)圖圖 144( (b) )，在高頻時(shí)，傳輸線變壓器以電磁能，在高頻時(shí)，傳輸線變壓器以電磁能交替變換的傳輸方式傳送能量。交替變換的傳輸方式傳送能量。如如圖圖 144( (c) )所示，在低頻時(shí)，所示，在低頻時(shí)，由于傳輸線繞在磁由于傳輸線繞在磁環(huán)上，環(huán)

8、上，1 端和端和 2 端端與與 3 端和端和 4 端的端的短導(dǎo)線成為較大的短導(dǎo)線成為較大的電感線圈，避免了電感線圈，避免了信號(hào)源和負(fù)載被短信號(hào)源和負(fù)載被短接，實(shí)現(xiàn)了倒相作接，實(shí)現(xiàn)了倒相作用。用。能量通過(guò)傳輸能量通過(guò)傳輸線方式和磁耦合方線方式和磁耦合方式傳送式傳送。三、傳輸線變壓器功能三、傳輸線變壓器功能1對(duì)稱(chēng)與不對(duì)稱(chēng)變換對(duì)稱(chēng)與不對(duì)稱(chēng)變換對(duì)稱(chēng)對(duì)稱(chēng) 不對(duì)稱(chēng)變換，將對(duì)地對(duì)稱(chēng)的雙端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換不對(duì)稱(chēng)變換，將對(duì)地對(duì)稱(chēng)的雙端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)地不對(duì)稱(chēng)的單端輸出信號(hào)，如為對(duì)地不對(duì)稱(chēng)的單端輸出信號(hào)，如圖圖 146( (a) )所示。所示。圖圖 1-4-6對(duì)稱(chēng)與不對(duì)稱(chēng)變壓器對(duì)稱(chēng)與不對(duì)稱(chēng)變壓器( (a) ) 對(duì)稱(chēng)對(duì)

9、稱(chēng)- -不對(duì)稱(chēng)不對(duì)稱(chēng)( (b) ) 不對(duì)稱(chēng)不對(duì)稱(chēng)- -對(duì)稱(chēng)對(duì)稱(chēng)不對(duì)稱(chēng)不對(duì)稱(chēng) 對(duì)稱(chēng)變換，將對(duì)地不對(duì)稱(chēng)的單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)變換，將對(duì)地不對(duì)稱(chēng)的單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)地對(duì)稱(chēng)的雙端輸出信號(hào)，如圖換為對(duì)地對(duì)稱(chēng)的雙端輸出信號(hào)，如圖 146( (b) )所示。所示。 ( (a) ) 對(duì)稱(chēng)對(duì)稱(chēng) 不對(duì)稱(chēng)不對(duì)稱(chēng)( (b) ) 不對(duì)稱(chēng)不對(duì)稱(chēng) 對(duì)稱(chēng)對(duì)稱(chēng)2阻抗變換器阻抗變換器傳輸線變壓器可以構(gòu)成阻抗變換器，由于結(jié)構(gòu)的限制，傳輸線變壓器可以構(gòu)成阻抗變換器，由于結(jié)構(gòu)的限制，通常只能實(shí)現(xiàn)特定的阻抗比的通常只能實(shí)現(xiàn)特定的阻抗比的變換變換。4 : 1 阻抗變換器阻抗變換器如如圖圖 147( (a) )所示所示，圖中阻抗關(guān)系為，圖中

10、阻抗關(guān)系為 ivivR22oL= = =Li4242RivivR= = = =ivivR22oL= = =Li4242RivivR= = = =實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn) 4 : 1 的阻抗變換。傳輸線變壓器的特性阻抗為的阻抗變換。傳輸線變壓器的特性阻抗為 Lc222RivivZ= = = =1 : 4 阻抗變換器阻抗變換器如如圖圖 147( (b) )所示所示，圖中阻抗關(guān)系為，圖中阻抗關(guān)系為 ivivR2oL= = =Li41422RivivR= = = =實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn) 1 : 4 的阻抗變換。傳輸線變壓器的特性阻抗為的阻抗變換。傳輸線變壓器的特性阻抗為L(zhǎng)c21221RivivZ= = = =用傳輸線變壓器構(gòu)成的

11、用傳輸線變壓器構(gòu)成的魔魔 T 混合網(wǎng)絡(luò)混合網(wǎng)絡(luò)一、功率合成一、功率合成輸入信號(hào)接在輸入信號(hào)接在 A 端和端和 B 端，根據(jù)節(jié)點(diǎn)端，根據(jù)節(jié)點(diǎn)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輸入為等值反相信號(hào)輸入為等值反相

12、信號(hào) ia = = ib = = Imsin t，va = = vb = = Vmsin t 因?yàn)橐驗(yàn)?ic = = 0，所以，所以 C 端無(wú)功率輸出。端無(wú)功率輸出。 vd = = va vb = = 2Vmsin t，tIiii sin)(21mbad= = = = ia = = ib = = Imsin t，va = = vb = = Vmsin t 因?yàn)橐驗(yàn)?ic = = 0所以所以 C 端無(wú)功率輸出。端無(wú)功率輸出。 vd = = va vb = = 2Vmsin t，tIiii sin)(21mbad= = = =D 端的輸出功率端的輸出功率bammd22PPIVP = = =輸出功率

13、為輸出功率為 A 端輸入功率和端輸入功率和 B 端輸入功率的和。端輸入功率的和。 每個(gè)功率放大器的等效負(fù)載每個(gè)功率放大器的等效負(fù)載22/dddbbaaLRivivivR= = = = =2輸入為等值同相信號(hào)輸入為等值同相信號(hào) ia = - = -ib = = Imsin t， va = - = -vb = = Vmsin t 因?yàn)橐驗(yàn)?id = = 0所以所以 D 端無(wú)功率輸出。端無(wú)功率輸出。 vc = = va = - = -vb = = Vmsin t， ic = = ia - - ib = = 2Imsin tC 端的輸出功率端的輸出功率bammc22PPIVP = = =輸出功率為輸出

14、功率為 A 端輸入功率和端輸入功率和 B 端輸入功率的和。端輸入功率的和。 2輸入為等值同相信號(hào)輸入為等值同相信號(hào) ia = - = -ib = = Imsin t， va = - = -vb = = Vmsin t 因?yàn)橐驗(yàn)?id = = 0，所以所以 D 端無(wú)功率輸出。端無(wú)功率輸出。 vc = = va = - = -vb = = Vmsin t， ic = = ia - - ib = = 2Imsin tC 端的輸出功率端的輸出功率bammc22PPIVP = = =輸出功率為輸出功率為 A 端輸入功率和端輸入功率和 B 端輸入功率的和。端輸入功率的和。 每個(gè)功率放大器的等效負(fù)載每個(gè)功率

15、放大器的等效負(fù)載cccbbaaL22/RivivivR= = = = =3異常輸入情況異常輸入情況 ia ib，va vb 根據(jù)電路的約束條件根據(jù)電路的約束條件cbdca221iRRivvv = = = =cbdcb221iRRivvv- -= =- -= =將將)(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 僅與僅與 va 有關(guān)，有關(guān)，ib 僅與僅與 vb 有關(guān)。實(shí)現(xiàn)了有關(guān)。實(shí)現(xiàn)了 A 端和端和 B 端的隔端的隔離，稱(chēng)為離，稱(chēng)為 A、B 間的隔離條件。間的隔離條件。 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電路如同相功率分配電路如圖圖 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 - -= = - -= =圖圖 149功率分配電路功率分配電路( (a) ) 同相同相ic = 2i ，ia = i - - id ，ib = i + id ， vd = idRd = iaRa - - ibRbbadbacbadbad21RRRRRiRRRRRii - -= = - -= =取取 Ra = = Rb = = R 則則id = = 0D 端無(wú)功率輸出。端無(wú)功率輸出。 ia = = ib = = ic /2A 端和端和 B 端獲得等值同相功端獲得等值同相功率。率。 C 端的等效負(fù)