基于傳輸線變壓器的功率合成器的設(shè)計實現(xiàn)

摘要： 本文主要介紹了一種短波寬帶功率合成器的設(shè)計實現(xiàn)方法，該所設(shè)計的功率合成器是一種電流型合成網(wǎng)絡(luò)，主要采用基于傳輸線變壓器為主的合成方式。它由多個變壓器信號輸入和一個變壓器信號輸出組成，能夠完成短波寬帶發(fā)信機射頻通路功率合成，實現(xiàn)多路射頻信號的功率合成及整機需要的阻抗變換。

關(guān)鍵詞：大功率短波；傳輸線變壓器；功率合成

短波通信的傳輸媒介是電離層，具有抗毀能力強，設(shè)備相對簡單，使用靈活的特點，在一些特殊領(lǐng)域，短波通信是重要的溝通手段。大功率短波寬帶發(fā)信機作為短波通信系統(tǒng)的重要組成部分，與天饋系統(tǒng)配接，利用大功率優(yōu)勢保障在復(fù)雜電磁環(huán)境下的遠程可靠通信。隨著無線電通信業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展、電磁環(huán)境逐漸惡化，電磁密度的增加，使得遠距離可靠通信對發(fā)信機發(fā)送功率的要求越來越大，但有源器件在頻率較高時的放大能力下降， 單個功放管模塊輸出功率較小，無法達成目標，為提升發(fā)信機的發(fā)射功率，通常采用多個功放、多級功率分配及功率合成的方法實現(xiàn)更大功率等級輸出。因此，設(shè)計一個可靠的短波寬帶功率合成器以實現(xiàn)多路射頻信號的功率合成是具有重要意義的。

一、概述

（一）指標要求

為提升短波寬帶發(fā)信機的輸出功率，研制一種六路合一的功率合成器，其主要技術(shù)指標要求為：

①頻率范圍：3MHz～30MHz；

②輸入/輸出阻抗：50Ω；

③插入損耗：≤0.5dB；

④功率容量：2000W（CW）。

（二）設(shè)備用途及組成

功率合成器配套短波寬帶發(fā)信機使用，實現(xiàn)多組射頻信號的功率合成。功率合成器主要由輸入變壓器、輸出變壓器、平衡電阻、機箱、散熱器和風機等組成。

二、設(shè)計方案

（一）電路原理

功率合成器的電路原理是將六路等幅同相的射頻功率信號合成為一路射頻功率輸出，原理如圖1所示。

為了滿足寬帶、大功率的使用要求，選擇以傳輸線變壓器為主的功率合成方式。傳輸線變壓器具有體積小、功率容量大、工作頻帶寬等優(yōu)點，工作頻帶可達到10個倍頻程，廣泛應(yīng)用于短波領(lǐng)域。原理圖中T1～T6為輸入變壓器，每一路射頻輸入分別經(jīng)由輸入變壓器實現(xiàn)功率合成，合成后的信號阻抗為低阻抗，為6路50Ω并聯(lián)后的阻抗，電流為6路射頻的電流之和，實現(xiàn)電流合成。合成后的低阻信號，經(jīng)輸出變壓器T7，抗轉(zhuǎn)換為50Ω，實現(xiàn)發(fā)信機50Ω輸出阻抗要求。R1～R6為平衡電阻，取值為傳輸線的特性阻抗，其作用是吸收各路信號不均衡時產(chǎn)生的耗散功率，極端情況下，當某一路射頻功率信號大幅降低時，可保障發(fā)信機高功率輸出。

圖1 ?功率合成器原理圖

（二）電路設(shè)計

1.變壓器繞線長度計算

根據(jù)標準磁環(huán)規(guī)格、磁導(dǎo)率、安裝尺寸等條件，輸入變壓器選擇磁導(dǎo)率值為350的磁環(huán)繞制，單個磁環(huán)尺寸為40mm×18mm×12mm，單個磁環(huán)的功率容量無法滿足要求，為達到較大的功率容量，需增大磁路面積，采用6個磁環(huán)，分別把3個磁環(huán)對齊黏合，布局上把2組黏合好的磁環(huán)并排固定，用聚酯薄膜膠帶纏繞緊固，用同軸線沿2組磁環(huán)的公共內(nèi)壁緊密繞制3圈。根據(jù)式（1）計算得到輸入變壓器的電感值。

（1）

為了保證低頻響應(yīng)良好，除采用高磁導(dǎo)率的磁芯外，還必須有一定的繞組長度、繞線匝數(shù)，以使初級繞組有足夠大的感抗。

2.平衡電阻計算

輸入變壓器的輸入阻抗為50Ω，6路合成后的負載阻抗為8.3Ω[1]。輸出變壓器的輸入阻抗為8.3Ω，負載阻抗為50Ω，根據(jù)式（2），得到傳輸線變壓器的特性阻抗ZC（其中Rg為源阻抗，RL為負載阻抗）：

（2）

平衡電阻阻值取傳輸線特性阻抗值20.4Ω，同時要根據(jù)射頻電流值選擇平衡電阻的功率和溫度參數(shù)。

3.輸入變壓器計算

變壓器設(shè)計需要考慮功率容量足夠、最大磁感應(yīng)強度小于變壓器磁芯的最大磁感應(yīng)強度，因此磁環(huán)的選擇非常關(guān)鍵。

為了得到寬帶響應(yīng)，特別是展寬低頻響應(yīng)，磁環(huán)應(yīng)選擇高磁導(dǎo)率、低損耗的高頻磁性材料。磁性材料選用強場功率軟磁鐵氧體材料，其特點是在高頻工作頻率下能承受不同量的功率不發(fā)熱或發(fā)熱在允許值內(nèi)[2]。

輸入變壓器選擇磁導(dǎo)率值為350的磁環(huán)繞制，單個磁環(huán)尺寸為40mm×18mm×12mm，為達到較大的功率容量，需增大磁路面積，采用6個磁環(huán)疊加使用，分別把3個磁環(huán)對齊黏合形成2組，把2組黏合好的磁環(huán)并排固定，用聚酯薄膜膠帶纏繞，用同軸線沿2組磁環(huán)的公共內(nèi)壁緊密繞制3圈，形成1個變壓器。

根據(jù)式（3），計算得到輸入變壓器的電感值，其中Ae為磁路面積，Le為磁路長度：

（3）

依據(jù)式（4），計算輸入變壓器最低工作頻率（3MHz）時的感抗XL：

（4）

由此可見，輸入變壓器低頻端的感抗324 Ω遠大于變壓器的輸入阻抗（50Ω）的3倍以上，保證了低頻響應(yīng)良好。

依據(jù)式（5）計算輸入變壓器磁芯的磁感應(yīng)強度Bmax值（其中Ae為磁路面積，fmin為最低工作頻率）：

（5）

通常取磁芯的最大磁感應(yīng)強度為100GS，以上所設(shè)計的輸入變壓器，其最大磁感應(yīng)強度遠小于100GS。

4.輸出變壓器計算

輸出變壓器選擇磁導(dǎo)率值為80的磁環(huán)繞制，考慮整個合成變壓器平面安裝尺寸要求，磁環(huán)尺寸選用為68mm×38mm×20mm，單個磁環(huán)的功率容量無法滿足變壓器的功率要求，為獲得足夠的功率容量，需增大磁路面積，通過疊加磁環(huán)的方式實現(xiàn)，共用4個磁環(huán)，把2個磁環(huán)對齊黏合成1組，把2組黏合好的磁環(huán)并排固定，用聚酯薄膜膠帶纏繞，用同軸線緊密繞制3圈，首尾相連，外層饋線再繞1圈，匝數(shù)比為3：7，阻抗變比為9：49，從而實現(xiàn)由低阻抗到高阻抗的變換，滿足發(fā)信機輸出阻抗為50Ω的指標要求。

依據(jù)式（6），得到輸出變壓器的電感值（其中Ae為磁路面積，Le為磁路長度）：

（6）

依據(jù)式（7），計算輸出變壓器最低工作頻率（3MHz）時的感抗XL：

（7）

由此可見，輸出變壓器低頻端的感抗遠大于變壓器輸出阻抗的3倍以上，保證了低頻響應(yīng)良好。

依據(jù)式（8）計算輸出變壓器磁芯的磁感應(yīng)強度Bmax（其中Ae為磁路面積，fmin為最低工作頻率）：

（8）

通常取磁芯的最大磁感應(yīng)強度為100GS，以上設(shè)計的輸出變壓器其最大磁感應(yīng)強度遠小于100GS。

事實上，輸入變壓器和輸出變壓器在設(shè)計上均預(yù)留有很大的功率余量，可滿足更高功率的輸出需求。

5.PCB印制板設(shè)計

為保證6路射頻信號的一致性，在進行PCB設(shè)計時，考慮到6個輸入變壓器工作時要求其電路參數(shù)保持一致，選用對稱設(shè)計，均勻地排布在印制板上直徑相同的一個圓周上，這樣輸入變壓器的輸入線和輸出線的長度一致，其對應(yīng)電參數(shù)一致，減少分布參數(shù)的影響。同時繪制印制板表面銅箔時，還要考慮承載電流、趨膚效應(yīng)。在工作頻率范圍內(nèi)，最低工作頻率3MHz時的趨膚深度最大，而最高工作頻率40MHz的趨膚深度最小，趨膚深度越小相同承載面積承載的電流越小，因此以最高工作頻率40MHz工作時計算印制板表面銅箔面積，帶狀線的最佳厚度為2ε，通過計算取印制線的銅箔厚度為2oz（70μm）[3]。

因?qū)拵Оl(fā)射機小型化設(shè)計的需求，合成變壓器的機箱高度、寬度受限，輸入變壓器組和平衡電阻無法布置在同一印制板上，需分別單獨布板，考慮到6個輸出變壓器布置完成后電壓分布參數(shù)要一致，采用上下層層疊、對應(yīng)均勻排布的結(jié)構(gòu)設(shè)計，板與板之間的電氣互聯(lián)采用銅片連接。

考慮到輸出變壓器位置與輸入變壓器之間有一定的距離，會引入較大分布參數(shù)，為減小分布參數(shù)，將輸入變壓器合成端口與輸出變壓器輸入端口的互聯(lián)采用印制板布線連接，取代傳統(tǒng)的銅帶或同軸線直連，印制板布線應(yīng)注意系統(tǒng)對特性阻抗的需求，其特性阻抗應(yīng)盡量接近輸入變壓器輸出端口的阻抗，利用ADS中的“LineCalc”工具設(shè)計仿真，PCB介質(zhì)材料選取常用的FR4覆銅板，其相對介電常數(shù)取4.5，其中印制線的物理寬度取值為35mm，滿足中間級低阻抗，承載較大電流的需求。由于理論與實際均存在差異，設(shè)計的阻抗值與實際測試會有所不同，在調(diào)試過程中可適當增加中間級的對地補償電容，反復(fù)測試和調(diào)整，使兩個端口的阻抗盡量匹配。

三、熱設(shè)計

合成器在工作時由于功率較大會產(chǎn)生大量的熱能，同時其布置密集，散熱空間有限，熱能無法有效散出，影響合成器工作，甚至燒毀變壓器，因此必須進行散熱設(shè)計。

根據(jù)整機布局功率合成器要安裝到標準機柜上，考慮電磁兼容、維護維修等因素，需要將合成器布局到屏蔽插箱里，考慮其散熱條件和方式，依據(jù)發(fā)信機給出的冷卻要求，功率合成器采用強迫風冷的散熱方式，考慮整個發(fā)信機安裝空間、維護方式，發(fā)信機的后面安裝空間小，無法布置風機，因此合成器插箱采用前進風后出風的通風方式，合成器插箱前面板處安裝有風機。

輸入變壓器與輸出變壓器分散排布，大功率平衡電阻安裝在散熱器上，分布均勻，便于散熱。因功率合成單元體積較小，空間十分局促，散熱器的尺寸受到嚴格限制，在設(shè)計時利用計算機仿真技術(shù)，模擬合成器散熱需求最大時即在模擬一路功放射頻信號缺失的情況下，平衡電阻吸收功率的散熱狀況，強迫風冷給定時，合成器溫度達到平衡后，其最高溫度遠低于平衡電阻技術(shù)規(guī)格中的最高溫度，滿足變壓器散熱要求。

風機選擇具有PWM控制功能，從連接器端口引入PWM控制線，與發(fā)信機功放溫度采樣實現(xiàn)連鎖設(shè)計，通過改變控制端子與地之間的輸入測速信號的占空比，從外部控制風扇轉(zhuǎn)速。在待機狀態(tài)下，功率合成器內(nèi)元器件無熱量產(chǎn)生，風機處于待機狀態(tài)，合成器工作時，根據(jù)功放溫度采樣控制風機的轉(zhuǎn)速，調(diào)整給出的風量，在保證散熱效率的同時，降低電力消耗以及裝置的低噪音效果。

四、生產(chǎn)與調(diào)試

功率合成器在生產(chǎn)過程中，采購磁環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸要進行控制，使相同磁環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸一致，以保證變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)和裝配一致；對磁導(dǎo)率值進行篩選，相同磁環(huán)磁導(dǎo)率盡量一致，以使繞制后的變壓器電感參數(shù)基本一致；在繞制輸入和輸出變壓器時要嚴格按繞制工藝進行，同軸線應(yīng)貼合磁環(huán)組內(nèi)壁均勻緊密繞制，尤其是6個輸入變壓器繞制同軸線線長、繞制半徑、焊接尺寸要高度一致，以保證各輸入變壓器間的一致性。各部分的工藝連接也要考慮能承受高電壓和大電流，高壓處留有合適的耐壓空間，大電流處適當敷設(shè)銅箔和選擇合適的導(dǎo)線直徑，滿足承壓和載流的需求。

由于功率合成變壓器體積大，且受到裝配空間限制布局分散，各部分功能電路之間很難達到全部就近互聯(lián)，因此信號在傳輸過程中，會引入一定的分布參數(shù)。功率合成器在調(diào)試過程中，主要解決的問題是，盡量消除分布參數(shù)對頻率響應(yīng)的影響。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀，觀測輸入端口、輸出端口及各端口之間的S參數(shù)及阻抗特性，可在輸入變壓器及輸出變壓器的輸出端口增加補償線電感或電容，修正理論與實際的偏差，減小分布參數(shù)的影響，達到最佳阻抗匹配。

合成器調(diào)試包括靜態(tài)測試和上電調(diào)試，靜態(tài)測試主要是使用網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)整輸入端口、輸出端口及各端口之間的S參數(shù)及阻抗特性，使其達到阻抗匹配；上電調(diào)試是指功率合成器接入寬帶短波發(fā)信機中性能功能測試，包括全頻段上電、功率容量測試、連續(xù)工作測試、插入損耗測試，通過不斷調(diào)整、測試及長時間滿功率負荷，功率合成器的傳輸損耗、帶寬和功率容量等指標及散熱能力均滿足發(fā)信機使用要求，能夠確保發(fā)信機長時間可靠工作。

五、結(jié)束語

研制大功率合成器對于短波發(fā)信具有非常重要的意義，本論文研制的功率合成器具有多路、功率大、頻帶寬、體積小、可靠性高等特點，經(jīng)過測試，各項指標滿足使用要求。此外，通過適當改變元器件的電氣參數(shù)和組成數(shù)量，輔助以參數(shù)仿真設(shè)計、熱設(shè)計，可實現(xiàn)更高功率等級的功率合成。

作者單位：王磊 海軍裝備部駐北京地區(qū)第八軍事

代表室

參 ?考 ?文 ?獻

[1]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）[M].高等教育出版社，2001.

[2]張紀鋼.射頻鐵氧體寬帶器件[M].科學(xué)出版社，1986.

[3]鄧建國，張相臣，談文心.高頻電子線路[M].西安交通大學(xué)出版社，1996.