高频功率放大器的功率合成技术

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第3 章功率合成技术

qp

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3.1 传输线变压器

3.1.1 基本工作原理

传输线变压器（TransmissionLine Transformer）是将传输线绕在高导磁率、低损耗的磁心上构成的。传输线可以是同轴电缆、带状传输线或双绞线，磁心可采用镍锌高磁导率（μ=100~400）的铁氧体制成。图3-1(a)为含有传输线变压器的宽带功率放大器。

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&iU

RRL

CC

(a)

&oU

(b)

图3-1 含传输线变压器的宽带功率放大器

(a) 放大电路；(b) 等效电路

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放大器输出端通过特性阻抗为Zc的传输线变压器接负载RL。信号从传输线的输入端1 和3 传送到终端2 和4，这与传输线传输能量的情况完全相同，如图3-1(b)所示。设传输线输入端电压为

&&&、电流为I1，输出端电压为UU12

、电流为

&I2

，则由传

输线方程可得：

&=U&cos(βl)+jZI&sin(βl) U12c2

& U2&& I1=I2cos(βl)+jsin(βl)Zc

(3-1-1)

式中：β=2π/λ——相移常数；

λ——工作波长；

l——传输线长度。

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端接为

&=U& IR Uo1o 1

&=I&R U 22L

o

(3-1-2)

&——放大器的输出电压；式中：U

Ro——放大器的输出阻抗。解上述方程式，得：

&Uo&I2=

(Ro+RL)cos(βl)+j(Zc+RoRL/Zc)sin(βl)

(3-1-3)

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对于高频传输线，一般可以近似地把它看成是无耗线，即传输线的衰减常数为零。特性阻抗Zc为一与频率无关的纯电阻。设传输线无耗，则负载上的功率为

URPL=2222

(Ro+RL)cos(βl)+(Zc+RoRL/Zc)sin(βl)

(3-1-4)

当负载获得最大功率时，特性阻抗满足：

2Zc=RoRL

(3-1-5)

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且负载获得最大功率时，源内阻应与负载阻抗相等，即Ro=RL，此时，传输线输入阻抗为

&Ucos(βl)+j(Zc/RL)sin(βl)1

Zin==RL

Icos(βl)+j(RL/Zc)sin(βl)1

(3-1-6)

由上式可见，当传输线特性阻抗与负载阻抗匹配，即Zc=RL时，无耗传输线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，并且与工作频率无关。在无耗和匹配的理想情况下，传输线的带宽是无限的。通常传输线都尽可能工作在匹配状态下，且传输线损耗一般较小，所以，传输线具有很宽的通频带。

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但是，实际上要做到阻抗完全匹配是不容易的。在不匹配的情况下，即Zc≠RL时，由式(3-1-6)可得，传输线的输入阻抗为

R+jZtg(βl)

Zin=Zc

Zc+jRLtg(βl)

(3-1-7)

当βl很小，即βl<<1 时，相当于信号波长λ很长，也即低频处，Zin≈RL，传输功率几乎不随λ变化, 故传输线带宽没有频率下限。

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当βl较大时，相当于信号波长λ较短，即高频处，Zin随频率变化，意味着负载得到的功率随信号频率的变化而变化，因此，实际传输线带宽存在上限频率。让传输线的特性阻抗Zc更接近负载RL，并尽量缩短传输线的长度l，可使传输线的上限频率达到很高。

为了保证传输线变压器的上限频率，通常取l<λmin/8，即一般传输线变压器都可认为工作在满足βl<<1 的条件下。

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由式(3-1-1)可知，在βl<<1 的条件下，可得到：

&=U& U2 1

&=I& I 12

因此，可近似地认为传输线变压器终端的电压、电流大小相

等，相位相同。在以后分析传输线变压器阻抗变换原理时，不

&、U&&&&U再区分和而一律以和I表示。对于如图3-1所I、IU12

1

2

示的传输线变压器而言，它在负载上获得了一个与输入幅度相等、相位相反的电压，即实现了1∶1变比和倒相作用，我们称这种接法的传输线变压器为1∶1倒相传输线变压器。

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从变压器的角度来看传输线变压器时，它仍为一变压器，故在初级线圈中有激磁电流存在，这会破坏传输线两线中电流分布的对称性。为了保证两线按传输线方式工作，必须采用高导磁率的环形磁心，以增加初级线圈的电感量，减少激磁电流。又由于变压器的两个线圈是双线并绕的，激磁电流在两个线圈中产生的感应电动势相等，且传输线输入端是变压器的同名端，所以传输线两导线之间的电位差不会因感应电动势的存在而有变化，也就是说，在感应电动势存在的情况下传输线仍然可以按传输线所具有的传输特性工作。但当工作频率很低时，由于初级线圈的感抗下降，激磁电流增加，激磁电流在Ro上的压降就会增加，相当于起到了对信号源分流的作用，使得输出下降，限制了传输线变压器的下限频率。所以，实际中传输线变压器的带宽是有下限频率的，它受限于变压器初级线圈的电感量。

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传输线变压器以变压器方式工作，可在输入端和输出端之间实现阻抗变换、极性变换、平衡—不平衡变换等功能。对于图3-1所示的1∶1倒相传输线变压器，为了使输出电压倒相，2端必须接地，则输入电压就加在了1 和2端上，如果没有变压器，信号就会被1 和2端的导线所短路，而无法加在1 和3输入端上，同时负载也会被3和4端的导线所短路。但在传输线变压器中，由于传输线是绕在磁心上的，它具有变压器工作模式，1和2端有感抗存在，信号不会被短路；3 和4端同样存在感抗，而使负载也不会被短路。图3-1的1∶1倒相传输线变压器的变压器等效电路如图3-2所示，变压器工作方式对于实现倒相是必须的。

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RRL

Uo

图3-2 1∶1传输线变压器的变压器等效电路

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除了实现倒相，1∶1传输线变压器还经常用作实现电路的平衡—不平衡转换，如图3-3 所示。

传输线可认为是由无数个分布电容和电感组成的，其特性阻抗为

r+jωLZc=

G+jωC

式中：L——传输线上单位线长的电感量；

r——传输线上单位线长的损耗电阻；C——传输线上单位线长区两线间电容量;G——传输线上单位线长区两线间漏电导。

(3-1-9)

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当传输线无耗，或满足Ωl>>r，ωC>>G时，则

LZc≈

C

(3-1-10)

传输线变压器的传输机理，主要是利用传输线的分布电感、分布电容来传递电磁能量。当传输线的特性阻抗在匹配状态下工作时，分布电感、分布电容得到最佳利用，从根本上克服了集总参数变压器因分布电容和漏感的影响而使工作频带受限的弊端。

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RRL

RUo

R(a)

(b)

图3-3 平衡—不平衡转换

(a)平衡—不平衡；(b)不平衡—平衡

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3.1.2 常用的传输线变压器

1. 1∶4和4∶1传输线变压器

在实现阻抗变换的传输线变压器中，最常用的是1∶4和4∶1阻抗变换传输线变压器。

图3-4(a)是一个1∶4传输线变压器，由图可知，负载RL上两端电压为2U，流过的电流为I, 信号源两端的输出电压为U，流出的电流为2I, 则信号源两端的输入阻抗Ri及传输线变压器的特性阻抗Zc分别为：

U12U1Ri===RL

2I4I4U12U1Zc===RL

I2I2

(3-1-11) (3-1-12)

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图3-4(b)是一个4∶1传输线变压器，由图可知，负载RL上两端电压为U，流过的电流为2I；信号源两端的输出电压为2U，流出的电流为I，则信号源两端的输入阻抗Ri以及传输线变压器的特性阻抗Zc分别为：

2UURi==4=4RL

I2IUUZc==2=2RL

I2I

(3-1-13)

(3-1-14)

这里，输入阻抗为负载的四倍，即实现了4∶1阻抗变换。

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RRL

RRL

US

Ui

(a)

i

(b)

图3-4 1∶4和4∶1传输线变压器

(a)1∶4 阻抗变压比；(b)4∶1 阻抗变换比

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5c8i.html