第3章讲 射频功率放大器.ppt

图3.28 多级功率合成放大电路示意图 3基于3dB耦合器的功率合成电路 在平衡放大电路中使用的3dB耦合器可以作为功率合成网络，把两个端口输入的功率在一个端口输出，其电路原理图如图3.29所示。电路为上下对称的两部分，射频输入信号经过3dB耦合器分为两路，分别送入上、下两路放大电路进行放大，再送入3dB耦合器输出。 图3.29 基于3dB耦合器的功率合成电路 4基于魔T形混合网络的功率合成电路 采用传输线变压器组成的混合网络具有频带宽、结构简单、损耗小的特点，因此称为魔T形混合网络。用它来实现功率合成或功率分配时，具有如下特点： 1)若有N个相同的功率放大器，每个功率放大器为匹配负载提供额定的功率P1，则N个负载上得到的总功率为NP1。 2)N个功率放大器彼此是隔离的。也就是说，当任何一个功率放大器损坏时，不影响其余放大器工作，各自仍向负载提供自己的额定功率。 3)当一个或数个功率放大器损坏时，负载上所得到的功率虽然下降，但下降要尽可能小。在最好的情况下，减少值等于损坏放大器数目M与额定功率P1的乘积，即MP1。 目前基于魔T形混合网络的功率合成电路已得到广泛应用，并能获得几百瓦至上千瓦的高频输出功率。显然，实现理想功率合成的关键是魔T形混合网络。 魔T形混合网络有四个端点，分别是A端、B端、C端(S端)和D端(Δ端)，将两个同频信号分别加到A～B端，可在C端(或D端)获得倍增的输出功率，称为功率合成。功率合成分为同相功率合成(或称零相合成)和反相功率合成(或称π相合成)。 一个用4∶1或1∶4传输线变压器构成的混合网络如图3.30所示，图3.30a为反相功率合成电路，图中Tr1为魔T形混合网络，Tr2为1∶1平衡不平衡变换器。两个等值反相的同频信号分别加在A～B端，在D端合成功率，C端无输出，称为反相功率合成。 图3.30 4∶1魔T形混合网络功率合成电路 采用如图3.31所示两个1∶1传输线变压器的混合网络构成的魔T形网络，同样可以完成功率的合成。 图3.31 1∶1传输线变压器构成魔T形网络 3.4.2 功率分配器 在射频／微波电路中，为了将功率按一定的比例分成两路或多路，需要使用功率分配器(简称功分器)。功率分配器在射频／微波大功率固态发射源的功率放大器中广泛地使用，而且功率分配器常是成对使用，先将功率分成若干份，然后分别放大，再合成输出。 一个一分为二的功率分配器是三端口网络结构，如图3.32所示。信号输入端的功率为P1，而其他两个输出端口的功率分别为P2和P3。由能量守恒定律可知，P1＝P2＋P3。 图3.32 功率分配器示意图 在实际电路中，最常用的情况是P2(dBm)＝P3(dBm)，如果P2(dBm)＝P3(dBm)，三端口之间的功率关系可写成 P2(dBm)＝P3(dBm)＝Pin(dBm)-3dB (3.4.9) 但P2并不一定要等于P3。因此，功率分配器可分为等分型(P2＝P3)和比例型(P2＝kP3)两种类型。 功率分配器的技术指标包括频率范围、承受功率、主路到支路的分配损耗、输入输出间的插入损耗、支路端口间的隔离度、每个端口的电压驻波比等。 (1)等分型功率分配器 等分型功率分配器根据电路使用元件的不同，可分为电阻式和LC式两种形式。 1）电阻式 电阻式等分型功率分配器电路仅利用电阻设计，按结构可分成△形和Y形，如图3.33a和图3.33b所示。 在图3.33中，Z0是电路特性阻抗，在高频电路中，不同的使用频段，电路中的特性阻抗是不相同的，这里以50Ω为例。这种电路的优点是频宽大、布线面积小、设计简单；缺点是功率衰减较大(6dB)。 图3.33 △形和Y形电阻式功率分配器 2）LC式 LC式集总参数功率分配器电路利用电感及电容进行设计。按结构可分成高通型和低通型，如图3.35a和图3.35b所示。下面分别给出其设计公式。 低通型LC式集总参数功率分配器的设计公式为(3.4.11)。 高通型LC式集总参数功率分配器的设计公式为(3.4.12)。 图3.35 LC式集总参数功率分配器 (2)比例型功率分配器 比例型功率分配器的两个输出口的功率不相等。假定一个支路端口与主路端口的功率比为k，可按照下面公式(3.4.13)设计图3.35a所示低通型LC式集总参数比例功率分配器。 其他形式的比例型功率分配器可用类似的方法进行设计。 (3)集总参数功率分配器的设计方法 集总参数功率分配器的设计需要计算出各个电感、电容或电阻的值。设计时可以使用现成软件Microwave Office或Mathcad，也可以查手册或手工解析计算。 2基于魔T形混合网络的功率分配器电路 将输入功率加到魔T形混合网络的C端(或D端),在A、B端的负载上可得到等值同相(或等值反相)的功率，称为功率分配