短波固態(tài)廣播發(fā)射機(jī)的無源器件設(shè)計(jì)簡介

趙 民

（作者單位：甘肅省新聞出版廣電局郎木寺廣播轉(zhuǎn)播臺）

1 無源器件的基礎(chǔ)知識

射頻無源器件的設(shè)計(jì)形式有多種多樣，一般來說根據(jù)其實(shí)現(xiàn)形式可簡單分為集中參數(shù)形式和分布參數(shù)形式。集中參數(shù)形式簡單來講就是L、C形式，分布參數(shù)形式就是傳輸線形式，傳輸線又分為多種形式，廣電領(lǐng)域常用的是同軸線、微帶線、帶狀線。

1.1 功率合成/分配器

功率合成/分配器的主要技術(shù)要求：

（1）具有盡可能低的插入損耗；

（2）功率合成器輸入端（功率分配器各輸出端）各路信號之間應(yīng)有足夠高的隔離度，以使各路信號之間互不影響。

（3）功率合成器/功率分配器不能改變每路放大器的高頻特性，如幅頻特性、相位特性、穩(wěn)定性和可靠性。

（4）功率合成器應(yīng)具有相同輸入/輸出阻抗，一般為50 Ω；相應(yīng)還應(yīng)具有足夠低的輸入/輸出電壓駐波比，一般小于 1.2：1。

（5）功率合成器/功率分配器應(yīng)具有“性能適度降低”的特性，且在更換放大器是能保持正常工作。整個合成器的功率容量應(yīng)能夠適應(yīng)任一功率放大器發(fā)生故障時的狀態(tài)。

在實(shí)際應(yīng)用中，主要根據(jù)上述對功率合成器/功率分配器的要求，再結(jié)合固態(tài)發(fā)射機(jī)的具體電性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況來綜合考慮和選擇、設(shè)計(jì)功率合成器/功率分配器。

功率合成/分配器具體指標(biāo)主要有：功率量級；頻率特性；各端口駐波；輸入損耗；輸入端口/輸出端口的隔離度及相位一致性。

1.2 定向耦合器

定向耦合器：具有方向性的功率耦合（分配）元件，它是一個四端口元件，由稱為主傳輸線（主線）和副傳輸線（副線）的兩段傳輸線組合構(gòu)成。

波導(dǎo)、同軸線、帶狀線和微帶線等各種傳輸線都可以構(gòu)成定向耦合器。

定向耦合器是一個四端口網(wǎng)絡(luò)。設(shè)端口1和端口2表示主線，端口3和端口4表示副線，當(dāng)端口1有信號輸入而其他端口接有匹配負(fù)載時，可用S參量定義定向耦合器的主要技術(shù)指標(biāo)：

耦合度C：主線中端口1的輸入功率與副線中正方向端口3的功率之比，一般用對數(shù)表示，即

C=10×lg（1/│ S31 │2）dB

方向性系數(shù)D：在副線中傳向正方向端口3的功率與傳向反方向端口4的功率之比，一般用對數(shù)表示，即

D=10×lg（│S31│2/│S41│2）

隔離度I：主線中端口1的輸入功率與傳向副線中反方向端口4的功率之比，一般用對數(shù)表示，即

C=10×lg（1/│ S41 │2）dB

此外，還有額定功率容量、輸入駐波比、傳輸損耗、頻率特性等。

1.3 濾波器

濾波器是用來選擇頻率的電路，即讓某些頻率信號通過并且阻止其他頻率通過。濾波器按其插入衰減的頻率特征來分有四種類型：低通、高通、帶通和帶阻。

微波濾波器的技術(shù)指標(biāo)通常有以下幾項(xiàng)：

（2）頻率范圍ω1～ω3和帶寬BW：對于帶通和帶阻而言，也指衰減加大到某一量級時的頻率范圍，如BW3dB=f23dB-f13dB稱為3 dB通帶帶寬或3 dB阻帶帶寬。

（3）通帶內(nèi)最大衰減LAr：由于理想濾波器帶內(nèi)衰減為0不可能實(shí)現(xiàn)，一般可規(guī)定同帶內(nèi)最大的衰減不超過LAr，它包括濾波器的吸收衰減及反射衰減，其數(shù)值越小越好。對于無耗濾波器，也通常用同帶內(nèi)最大駐波比表示。

（4）一定帶外頻率ωS下的帶外衰減LA：一般規(guī)定在某一帶外頻率ωS下，最小衰減不能小于要求值LA。

（5）波紋：指通帶內(nèi)信號的平坦度，一般用dB為單位。

一般來說，低通、高通、帶通濾波器特性的網(wǎng)絡(luò)綜合是相當(dāng)復(fù)雜的。根據(jù)濾波器的實(shí)現(xiàn)，可分為巴特沃斯、切比雪夫、橢圓函數(shù)等濾波器，根據(jù)各自實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)以及技術(shù)要求，來選擇使用何種濾波器以及大致階數(shù)，從而基本確定濾波器實(shí)現(xiàn)形式。然后，我們利用專業(yè)濾波器設(shè)計(jì)軟件Filter Solutions或ADS仿真軟件來指導(dǎo)設(shè)計(jì)，在具體工程實(shí)現(xiàn)上，本文會有對應(yīng)的實(shí)物介紹。

不同特定濾波器的特點(diǎn)：巴特沃斯濾波器衰減曲線中沒有任何波紋，切比雪夫?yàn)V波器具有更陡峭的通帶-阻帶過度特性。橢圓函數(shù)濾波器具有更強(qiáng)的帶外抑制。

目前，《神奇動物在哪里》已經(jīng)上映了兩部，影片里除了有更廣闊的魔法世界展現(xiàn)以及中年鄧布利多與宿敵格林德沃對決這些看點(diǎn)之外，最吸引人的就是那些平時搗亂，卻總在關(guān)鍵時刻派上用場的神奇動物們！

1.4 射頻無源器件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的仿真工具

射頻無源器件的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在設(shè)計(jì)技術(shù)手段比較多，傳統(tǒng)方法，也就是通過公式推導(dǎo)的方法，作為了解，必要時再深入研究。原理上設(shè)計(jì)可以通過安捷倫公司出品的ADS仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證或設(shè)計(jì)，對于設(shè)計(jì)精度要求較高的，另外可以通過HFSS仿真軟件、CST軟件進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，整體和實(shí)際效果差別不是太大。當(dāng)然，ADS軟件隨著不斷進(jìn)步，其自身自帶的板級仿真軟件也與時俱進(jìn)，個人建議板級精確仿真還是推薦用HFSS軟件或CST軟件。

2 短波廣播發(fā)射機(jī)中的無源器件設(shè)計(jì)

2.1 經(jīng)典傳輸線變壓器功率合成器

經(jīng)典傳輸線變壓器四合一原理，如圖1所示。

如果要嚴(yán)格用計(jì)算公式來推導(dǎo)功率合成器的等效阻抗及匹配平衡負(fù)載，很復(fù)雜也很難理解，如需要深一步理解，可參見《射頻鐵氧體寬帶器件》。

通常的設(shè)計(jì)方法是用ADS仿真軟件進(jìn)行仿真，當(dāng)然從理解角度出發(fā)，要推算該傳輸線變壓器的變比，個人有一個簡便的方法，如下：

假定功率合成器的各個輸入電流分別為I1=I2=I3=I4=I，則中間級2合1合成點(diǎn)的電流為2I，末級輸出電流為2I，則兩級傳輸線變壓器的變比為（2I/I）2=4。

注意傳輸線變壓器內(nèi)的正反向電流分別為1、-1。

傳輸線變壓器常規(guī)設(shè)計(jì)原理具體可參見《射頻鐵氧體寬帶器件》中第三章《傳輸線變壓器理論》。

2.2 短波低功率功率分配器

功率分配器，尤其是寬帶功率分配器，利用傳輸線變壓器設(shè)計(jì)，往往體積比較小，設(shè)計(jì)也比較簡單，技術(shù)指標(biāo)也比較好。傳輸線變壓器功率分配器的頻率范圍可擴(kuò)展至300 MHz以下，目前皆有應(yīng)用。

2.3 短波寬帶定向耦合器

短波寬帶定向耦合器的技術(shù)指標(biāo)：

（1）功率容量：≥1 kW

（2）頻率范圍：3～30 MHz

（3）主通路駐波：≤1.1

（4）正反向耦合度:-33±0.2 dB

（5）各耦合支路端口駐波：≤1.1

（6）正反向耦合的方向性：≥27 dB

1 kW短波寬帶定向耦合器設(shè)計(jì)原理如下：

實(shí)際制作電路原理圖如圖2所示，圖中的串、并聯(lián)耦合變壓器的匝比都是整數(shù)比，為42∶l，即m=n=42，采取此匝比可使耦合度最接近33 dB，電阻值與各端口的阻抗值相同，都為50 Ω，主線采用適合大功率通過的直徑為2 mm的漆包線。變壓器磁芯全部為高磁導(dǎo)率的鎳鋅鐵氧體材料（NXO-100）。選取合適的鐵氧體材料，對于寬帶定向耦合器的制作很關(guān)鍵，鐵氧體的磁導(dǎo)率不同，相應(yīng)的頻率特性也會不同。

2.4 大功率低耦合度的寬帶定向耦合器

典型大功率低耦合度寬帶短波定向耦合器設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）功率容量：≥40 kW

（2）頻率范圍：3～30 MHz

（3）主通路駐波：≤1.1

（4）正反向耦合度:-63±0.3 dB

（5）各耦合支路端口駐波：≤1.2

（6）正反向耦合的方向性：≥23 dB

圖1

圖2 短波寬帶定向耦合器設(shè)計(jì)電路圖及實(shí)物圖

大功率低耦合度的寬帶定向耦合器設(shè)計(jì)原理如下：該定向耦合器由兩部分組成，同軸耦合器和耦合輸出補(bǔ)償電路。

圖3為同軸耦合器部分，主通路為3-1/8的同軸硬饋，耦合通路為長度為70 mm左右的耦合桿，兩端可分別引出。其耦合曲線為一條曲線，該曲線的變化基本遵循每倍頻程6 dB的規(guī)律，具體可參見仿真結(jié)果圖1。

圖3

10 kW調(diào)幅廣播發(fā)射機(jī)末級定耦的實(shí)物參考圖見圖1。

2.5 可吸收式濾波器

目前，功放組合用的功放管為主流的LDMOS功放管子，該類功放管增益高，對諧波阻抗特性要求也比較高，在短波發(fā)射機(jī)中，濾波器如用普通的橢圓函數(shù)濾波器進(jìn)行諧波抑制時，在功放管輸出功率較大時，由于帶外阻抗特性較低的原因，造成功放輸出的二、三次諧波比較大，由此濾波器形式改為可吸收式的濾波器，功放管的輸出匹配更加穩(wěn)定、可靠。

此外，選用可吸收式的濾波器，功放模塊輸出的二、三次諧波通過濾波器高通段由吸收負(fù)載吸收，而普通濾波器的二、三次諧波經(jīng)過濾波器發(fā)射后，反射功率又回到了功放模塊，如此加大了功放模塊的散熱要求，降低了功放管有源器件的使用壽命。

可吸收式濾波器的設(shè)計(jì)電路：

圖4 可吸收式濾波器設(shè)計(jì)電路圖

新型跳頻2 kW短波發(fā)射機(jī)上應(yīng)用的可吸收式低通濾波器設(shè)計(jì)實(shí)物：

圖5 2 kW短波發(fā)射機(jī)可吸收式低通濾波器低通段和高通段

3 結(jié)語

射頻無源器件在專業(yè)課本上相關(guān)知識理論比較多，但對于實(shí)際工程設(shè)計(jì)或理解指導(dǎo)意義不是特別大，相關(guān)實(shí)用教材比較有限。從工程應(yīng)用角度出發(fā)，本文有利于專業(yè)工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)參考，也便于相關(guān)設(shè)計(jì)師或廣電用戶學(xué)習(xí)了解用。