調頻廣播發(fā)射機功率合成器

陜西如意廣播電視設備有限公司研發(fā)二部 鄭 誠

現(xiàn)代廣電行業(yè)發(fā)射機已經(jīng)全面使用晶體管，場效應管作為功率產(chǎn)生核心器件，無論是中波、調頻還是電視發(fā)射機。相對于上一代的電子管發(fā)射機，現(xiàn)代全固態(tài)發(fā)射機有多放大管同時工作，損壞單管不會影起整機發(fā)射功率失能，即提供了良好的功率冗余性，但是因為是多數(shù)量、小功率的功放模塊同時工作，所以功率的合成將是復雜的。

理論上功率的合成電路與分配電路是可逆的，具有互易性，因此本文的重點將以功率的合成為中心展開討論。本文將講述88～108MHz頻率段應用的微帶線功率合成器，此理論在電視頻段也廣泛應用。

以每個末級模塊300W為例，一臺10kW發(fā)射機若只以功率的數(shù)字累加計算，也需40個功放管！如何將如此龐大數(shù)量的功放功率合成起來是發(fā)射機必須解決的問題。本文將以功率的合成技術為中心進行簡要論述。

1.設計功率合成器的先決條件

設計功率合成器時必須滿足各端口的輸入阻抗，輸出阻抗匹配要求的系統(tǒng)阻抗。在很好的滿足阻抗匹配的條件情況下，不僅各端口的阻抗會非常接近設計要求的阻抗，更重要的是端口之間的隔離度會到達非常高的數(shù)值。在合成器的最佳阻抗頻率匹配點，隔離度理想狀態(tài)下能達到-40dB。而我們認為可以滿足實際使用的隔離度達到-26dB就可以使用，-30dB就滿足國標。隔離度代表一個輸入端口的功率泄露到其他輸入端口的成度。

10log其他端口的泄露功率/輸入功率=隔離度。而26dB理論上達到1/400以下，但實際在此條件下功放開滿功率時，就比單獨放大后接負載發(fā)熱量明顯升高，長期工作已可能會損壞或影響功放模塊的壽命。

2.N路功率合成器的工作原理

以圖1是N路功率合成器的結構圖，Z0代表以微帶線或帶狀線組成阻抗變化節(jié)，Rs代表輸入電阻，RL代表匹配負載，Zo代表阻抗變換節(jié)的特性阻抗，λg代表中心頻率波的電長度，Rj是N路平衡隔離電阻。在各支路信號同幅，同相，同頻下分析如下。

假如Rs≠RL，各枝節(jié)的阻抗變換節(jié)的特性阻抗應為：

圖1 N路功率合成器的結構圖

以上阻抗變換節(jié)的知識被廣泛應用，現(xiàn)將它的由來稍作分析并由此推得Rj的值。當各輸入端分別有同幅同相的信號輸入時，Rj的值起到端口隔離的作用，各端口匹配的中心頻率點上，Rj是沒有損耗的。但是一旦一端信號為零，另一端仍有信號，Rj上必有功率損耗，并且這時它起著讓輸入端匹配的作用，即平衡作用。

以兩端口的合成為例：假設信號在端口3為零，相當于端口3對地短路，經(jīng)過阻抗變換節(jié)，它將使與它相連的阻抗變換節(jié)另一端的阻抗呈現(xiàn)無窮大！這是微帶線最基本的阻抗變換特性。這時相當于圖2的電路。

圖2

端口1的阻值50Ω經(jīng)由特性阻抗為70.7的阻抗變換節(jié)將變?yōu)?00Ω。這時將出現(xiàn)兩個100Ω的阻值并聯(lián)出現(xiàn)在端口2的情況，這時正好滿足端口P2的匹配要求。只不過功率將有一半到Vc，另一路消耗在平衡隔離負載了。

這就是為什么即使20dB的隔離度，各支路端口的阻抗仍舊與系統(tǒng)阻抗相差無幾，因為平衡負載使端口的阻抗匹配了，但當兩路功放正常，功率合成在20dB的隔離度的情況下，功放已無法大功率工作。

N路合成時M(N≥M)路工作的電路分析類似上述的開路短路法，也很容易得出功率消耗在平衡隔離負載上的通式，并且很容易得出Rj=Rs，下式中oP為每一臺放大器輸出功率。且M臺放大器共給負載電阻RL(=Rs)的功率PL(M)為：

以上結論已有很多文章進行過分析，在此不作過多的解釋。

3.N路合成器的優(yōu)點及缺點改善

在實際電路中N路合成器的優(yōu)點是N路中的一路壞掉的情況下，其它功放仍能正常工作，不影響端口匹配，機器仍有功率輸出。但是這種多路合成一路的方法在輸入阻抗不變，合成輸出口阻抗不變的情況下，隨著路數(shù)的增加，勢必需要阻抗變換節(jié)的特性阻抗越變越大以滿足匹配需要，這最終使合成器的帶寬變窄，功放功率合成難于實現(xiàn)。而我們實際使用中往往需要機器能工作在較寬的頻率下，以滿足多機備用一機的情況。在理想的二支路合一的情況下，即圖1中n=2，各支路端口用2，3表示，Rs輸入阻抗為50Ω，總端口1的輸出阻抗RL也為50Ω，阻抗變換節(jié)算得特性阻抗為70.7Ω，中心頻率點設計為100MHz，電路如圖3所示。

圖3

它的S參數(shù)指標如圖4所示：

圖4 S參數(shù)指標

我們做一個改進型的合成器如圖5所示：

圖5 改進型的合成器

采用阻抗變比小的多節(jié)阻抗變換節(jié)構成的合成器后，從圖6測試結果dB(S(2，3))來看完全滿足了要求，并且dB(s(1，1))也得到了很大改善。雖然dB(s(2，2))指標變差，但是它仍在-40dB以上，完全能滿足使用要求。

圖6 測試結果

以上給出的模型是在100M的中心頻率以所有指標最佳得出的，下面再給出兼88～108M帶內最差指標最佳的模型。將圖6中TL1，TL2變?yōu)?4.74Ω，TL3，TL4變?yōu)?0.31Ω，R1變?yōu)?9.14Ω，R2變?yōu)?52.38Ω，則指標變化如圖7所示。

圖7 指標變化

可見這里沒有絕對的阻抗匹配最佳點，但是若論帶內情況，它的指標是無可挑剔的。作為大功率的器件，平衡電阻的值目前都是依據(jù)100Ω平衡隔離電阻的理論制作的，若滿足最差指標最佳寬帶模型想要制成產(chǎn)品必須訂制特殊阻抗的平衡隔離電阻。并且對所有合成器來說，即使是100Ω的平衡隔離電阻存在，但是隨著瓦數(shù)的增加，對散熱需求增加，平衡隔離電阻將越做越大，對地的容性將越來越不可忽視。要想得到滿意的指標，阻抗變換節(jié)必須做出調整以抵消容性帶來的影響，并且每個廠家生產(chǎn)的平衡電阻對地容性沒有一個標準，也就是說合成器只能在某一廠家的某一型號參考進行設計，在最糟情況下平衡隔離電阻實際不可僅根據(jù)數(shù)值進行替換。

圖8 圖3模型的等效替換

圖8是圖3模型的等效替換，可以有效解決合成器的平衡隔離電阻問題，因為電阻R1，R2是相對于地制作的，它沒有對地電容的存在，并且將R1，R2通過50Ω電纜引出是非常易于實現(xiàn)的，但是它的帶寬仍然跟圖4的指標一樣。

以上的應用主要針對同幅同相的多路信號合成與分配。在實際中基于正交的3dB合成器也比比皆是，但是正交的合成器隔離度實際不可能會高出35dB，如果高出必有一端口實際的S參數(shù)不滿足要求。實際上總口輸出阻抗不匹配，對兩輸入口的影響也各不相同，不像以上的同相多支路合成器有一至的影響。我們只在此稍作提及。