功率合成技術(shù)在中波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用探析

張 雷

（大連三〇三轉(zhuǎn)播臺，遼寧 大連 116600）

0 引 言

現(xiàn)階段，功率合成技術(shù)在中波發(fā)射機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，能夠?yàn)橹胁òl(fā)射機(jī)提供功率穩(wěn)定的輸出信號，并對分量信號形成抑制作用，在減少投用濾波器、促進(jìn)集成化等方面具有重要作用價(jià)值[1]。本文基于功率合成技術(shù)概述分析，探討功率合成條件及功率合成技術(shù)在中波發(fā)射機(jī)中的實(shí)際應(yīng)用，以期為充分發(fā)揮技術(shù)作用優(yōu)勢提供參考。

1 功率合成技術(shù)概述

功率合成技術(shù)主要應(yīng)用于功率合成與分配及阻抗變換中[1]。在具體實(shí)踐應(yīng)用中，通常應(yīng)用無源元件可以組成功率合成電路，并統(tǒng)稱為魔T 混合網(wǎng)絡(luò)[2]。應(yīng)用功率合成技術(shù)構(gòu)成的功放器，即功率合成器，是由數(shù)個(gè)功放單元、功率分配器等組合而成的系統(tǒng)[3]。

功率合成技術(shù)的應(yīng)用效果直接影響中波發(fā)射機(jī)的輸出功率級別，最終影響到發(fā)射機(jī)的綜合指標(biāo)[4]。為保證并有效提升功率合成技術(shù)在中波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用效果，本文將基于功率合成條件分析，對該技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行探析。

2 功率合成條件分析

2.1 功率相加條件分析

通常情況下，50 MHz 以下的高頻設(shè)備通常應(yīng)用高頻合成變壓器進(jìn)行功率合成[5]。以此為例，對功率相加條件進(jìn)行深度分析。首先，將參與疊加的功放模塊設(shè)置成信號源，分別用U1,U2,…,Um表示；其次，將相應(yīng)信號源下的內(nèi)阻分別設(shè)置為R1,R2,…,Rm，各模塊所對應(yīng)的合成變壓器初級線圈具有相同的匝數(shù)比，設(shè)置為K=17 ∶1[6]。

在各模塊中輸入初級電壓U、電流I，則各模塊的信號源關(guān)系如下：

各模塊的內(nèi)阻關(guān)系[7]如下：

各模塊的輸出功率表示為：

為得到最大輸出功率，應(yīng)通過功率最大化公式計(jì)算，得出獲得的最大化合成功率[7-8]。

功率最大化公式表示為：

得到的最大化合成功率表示為：

上述合成結(jié)果滿足功率相加條件，在獲得最大化功率方面具有有效性。

2.2 各功放模塊功率輸出相關(guān)性分析

各功放模塊功率輸出相關(guān)性分析，應(yīng)對功放模塊損壞時(shí)損失的輸出功率、功放模塊損壞時(shí)剩余功放模塊的輸出功率進(jìn)行分析[8]。

損失輸出功率計(jì)算方面，在功放模塊短路損壞狀態(tài)下，被短路的模塊不再產(chǎn)生射頻電壓，但無故障單元的電路輸出射頻電壓振幅不變[9]，即，各功放單元的電路輸出射頻電壓振幅U不變[9]。此時(shí)，功率合成變壓器的疊加次級電壓UL′狀態(tài)表示為：

式中：m表示功放模塊總數(shù)，n表示出現(xiàn)短路損壞的功放模塊數(shù)。

此狀態(tài)下，電流狀態(tài)與負(fù)載功率分別表示為式（11）、式（12）：

最終得出功放模塊短路損壞狀態(tài)下的損失功率為：

式中：n≤m。

基于上述分析可知，當(dāng)中波發(fā)射機(jī)出現(xiàn)功放模塊損壞情況時(shí)，損失的功率為為保證中波發(fā)射機(jī)的使用安全，應(yīng)盡快查找并清除個(gè)別功放模塊的損壞問題，必要時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行功放模塊更換[10]。

剩余功放模塊輸出功率計(jì)算方面，若在模塊應(yīng)用過程中出現(xiàn)n個(gè)功放模塊短路缺損、負(fù)載阻抗PL不變情況，則與變壓器初級相關(guān)的參數(shù)及變量發(fā)生改變[10]，變化情況如下：

此時(shí)，每個(gè)模塊的輸出功率轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

高頻變壓器合成方式下，若出現(xiàn)短路缺損，功率合成的總輸出功率降低、輸入與輸出阻抗發(fā)生變化，且無故障模塊輸出功率下降，即短路缺損模塊越多，功率下降越多[11]。但通過實(shí)踐分析發(fā)現(xiàn)，功率合成器無法完全隔離，在缺損較少的情況下，功率變化情況對中波發(fā)射機(jī)的工作并不產(chǎn)生影響。

在開路缺損狀態(tài)下，已知合成器的輸出阻抗Rout為：

結(jié)合前文分析可知：

則：

此時(shí)，功放模塊的電流[11]表示為：

各功放模塊的功率表示為：

基于上述分析可知，若第一個(gè)模塊出現(xiàn)開路損壞，則變壓器的輸入阻抗將變大，功率合成器的功率無法輸出[11]。

3 功率合成技術(shù)類型及其在中波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用

為有效推動中波發(fā)射機(jī)集成化、數(shù)字化、智能化發(fā)展，有必要對不同類型的功率合成器在中波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行探析。下文主要探討λ/4 傳輸線段功率合成、變壓器混合網(wǎng)絡(luò)的實(shí)踐應(yīng)用。

3.1 λ/4 傳輸線段功率合成

以TBV332 型發(fā)射機(jī)功率合成器為例，其配置了微帶傳輸線。λ/4 傳輸線在該型發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用具體有以下幾點(diǎn)。

（1）中波發(fā)射機(jī)的頻段增益大于18 dB，模塊上的合成電路由4 個(gè)兩路相同的功率合成器構(gòu)成，合成支路的功放單元有2 路，合成器輸入、輸出特征阻抗為50 Ω，線路等效長度為25.0%，輸入信號通過λ/4 傳輸線轉(zhuǎn)換阻抗為702/50 Ω[12]。

（2）微帶線傳輸線對線路進(jìn)行傳輸處理，在同等工況下，能夠保證功率合成與負(fù)載阻抗形成良好匹配關(guān)系。

（3）在運(yùn)行階段，4 路射頻輸入功率不會出現(xiàn)損耗的問題，該功率合成可以將各功放模塊進(jìn)行相應(yīng)的隔離電阻銜接，為電路器件散熱提供便利條件[13]。

（4）若等幅信號輸送到各線路，則各線路在銜接隔離電阻過程中會形成相應(yīng)的等幅反向電流，且不存在功率損耗的情況，使各模塊處于獨(dú)立工作的狀態(tài)中，如圖1 所示，為提高中波發(fā)射機(jī)運(yùn)行實(shí)效奠定基礎(chǔ)。

圖1 λ/4 傳輸線段功率合成

3.2 變壓器混合網(wǎng)絡(luò)

以宏觀視角探析功率合成技術(shù)在中波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用，可以將傳輸線變壓器看作傳輸線與變壓器的功能耦合[13]。在具體實(shí)踐中，需要將傳輸線環(huán)繞在高導(dǎo)磁率的高頻磁芯上，以實(shí)現(xiàn)能量的同步傳送。

圖2為傳輸變壓器的運(yùn)行原理。圖中，L1，L2是兩節(jié)同軸電纜，該電纜是變壓器反相功率合成器的重要組成部分。

圖2 傳輸變壓器運(yùn)行原理示意圖

通常情況下，若功率合成的輸出功率≤300 W，則其特性阻抗值為100 Ω，輸出阻抗值為200 Ω[13]。以圖2 所示的傳輸變壓器為例，探析變壓器合成器的運(yùn)行機(jī)理，主要有以下幾點(diǎn)：

（1）圖中C點(diǎn)所對應(yīng)的是和端輸出，D點(diǎn)所對應(yīng)的是差端輸出；

（2）圖中A點(diǎn)與B點(diǎn)的輸入信號經(jīng)過同等的電長度，且肉眼觀察可見其電路具有明顯的對稱性；

（3）圖中C點(diǎn)可以形成等幅反相電流，但電流通過疊加進(jìn)行抵消，無法形成輸出功率；

（4）圖中D點(diǎn)形成的信號可以在相減后得到可順利輸出的合成功率，負(fù)載電阻可以通過功率合成器呈現(xiàn)在A點(diǎn)和B點(diǎn)上，并形成良好的匹配關(guān)系；

（5）T3處的功率輸出形式為平衡式輸出，輸出過程經(jīng)過“平衡——不平衡傳輸——變壓器轉(zhuǎn)換——通過負(fù)載連接形成功率輸出”的完整體[13]。

4 結(jié) 語

本文以實(shí)踐應(yīng)用為視角，對功率合成技術(shù)在中波發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。功率合成技術(shù)的應(yīng)用在滿足發(fā)射機(jī)運(yùn)行要求的基礎(chǔ)上，提升了運(yùn)行效率，且在節(jié)能等方面具有一定優(yōu)勢。為進(jìn)一步發(fā)揮功率合成技術(shù)的價(jià)值作用，應(yīng)盡量保證輸入功率信號相位一致，規(guī)避功率消耗等問題。綜合而言，本文未以經(jīng)濟(jì)性視角對功率合成技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究，需要在后續(xù)研究中進(jìn)行補(bǔ)充。