功率分配器与合成器

陈希锋

辽宁省广播电视传输发射中心(沈阳 110000)

在全固态发射机中为了获得更高的输出功率，可以将多个功率放大器单元并联起来。为了保证功率放大器单元工作正常，就必须对输入功率进行分配、输出功率进行合成，而分配器和合成器在电路形成上是相同的，是一种倒置关系。目前，发射机所采用的功率分配和合成的方式有：(1)90°移相3dB 功率合成器；(2)180°反相3dB 功率合成器；(3)同相二等分功率合成器；(4)多路功率直接合成法。多路功率直接合成通常采用微带线制做而成，具有制作简单、应用方便，且不存在无用输出端(即吸收负载端)，在中、小功率的分配与合成中得到广泛使用。

以图1 所示的N 路功率分配器为例，简单阐述平衡型功率分配(合成)器的工作原理。

图1 N 路功率分配器

输入端与N 个阻抗变换节相连，其特性阻抗为Z，可以驱动N 个负载，各输出端之间接入N 个平衡隔离电阻R，其作用是避免相互干扰。设输入端的信号源内阻为Rs，负载电阻为RL。那么各路的阻抗变换节的特性阻抗Z 为：

式(1)中，N 为功率分配器的路数。

功率分配器电路结构对称，N 路输出功率大小相等，输出电路均接匹配负载RL，保证各路信号所经过的电长度都是λ/4，各输出端处于相同的电位，从而保证输出端和公共结点之间的隔离电阻R 不消耗任何功率。当某种原因使输出端口之一的信号发生了反射，该反射信号的功率就被功率分配器分配，一部分经过隔离电阻直接传送至其余输出端口，另一部分返回至输入端口，在各支路输入端汇集并再次分配，重新传送至各输出端口。当某一端口的反射信号经两种路径到达其余输出端口，由于两种路径的电长度不同，我们可以把隔离电阻尺寸做得很小，此时，就认为它的电长度近似为零，这样在中心频率处支线阻抗变换节的电长度为π/2(λ/4)，往返二次后的电长度为π(λ/4)。由此可见通过两种路径到达其余各输出端口的反射信号，其相位正好相反，从而相互抵消。所以，功率分配器支持工作的条件是：隔离电阻R 等于负载电阻RL，并且变换节特性阻抗满足公式(1)。

图2 N 路功率合成器

N 路功率合成器电路如图2 所示。当N 路功率放大器输出的信号(同频同相通幅度)通过功率合成器时，隔离电阻R 上没有电流，每个功率放大器的输出功率P0通过λ/4 的阻抗变换节馈送到负载RL，负载RL上得到的功率PL=NPO。

我台全固态FM 发射机1.2 kW 功率放大器就是采用微带功率分配器和合成器，利用两个同相等功率二分配(合成)级联来实现的，如图3 所示利用两个同相等功率二分配级联来实现四分配。整个分配或合成电路印制在一块双面覆铜的聚四氟乙烯玻璃布板上，这种材料的印制板介电常数比较稳定，介质损耗小，温度特性好。

图3 四分配器

已知输入阻抗RS=50Ω，负载阻抗RL=50Ω，根据式(1)可计算出各支线阻抗变换节的特性阻抗：

两支线间的平衡隔离电阻为：R=2RS=2RL=100Ω。

各支线的阻抗变换节为聚四氟乙烯玻璃布板上印制的微带线，其电长度为中心频率98 MHz 时的波长，而这个电长度可以由下列公式计算出：

式中，λ0是空气中微带线的波导波长(0λ＝C/f0，C 为光速)，εe为介质的有效介电常数。

这种形式的功率分配器与合成器，输入(输出)端的隔离度一般都大于20dB，而且驻波比可做到1.1 以内。采用多级级联的形式可以使分配(合成)的路数成倍增加，但多级级联的分配器和合成器的可用带宽要比单级使用时的带宽窄很多，且外形尺寸也变大，所以在多路功率合成时，往往采用直接合成法。

在功率合成的过程中，假设每路功率放大器的输出正常，功率合成器中的平衡隔离电阻中就没有电流通过，换句话说就是不消耗功率。当某一路或几路功率放大器出现故障没有输出时，就破坏了电路平衡，平衡隔离电阻就会消耗功率，功率合成器只能输出部分功率，其余功率被平衡隔离电阻吸收以发热形式消耗了。

假设有m 路功率放大器进行合成，当有n 路放大器停止工作时，合成器的输出功率P出、平衡隔离电阻上消耗的功率P耗以及他们之间的关系由以下公式确定：P出＝m PO((m-n)/m)2

P耗＝(m-n)PO-P出

式中：

P出：合成器的输出功率

PO：单路功率放大器的额定功率

P耗：平衡隔离电阻上消耗的功率。

以1.2 kW 的功率放大器为例说明功率合成器的输出功率和平衡隔离电阻消耗功率计算过程：

PO=300 W m=4 n=1(有一路功放出故障)则：

P出=4×300×[(4-1)/4]2=675 W

P耗=(4-1)×300-675=225 W

说明1.2 kW 的功率放大器输出只有675 W，平衡电阻上消耗了225 W。