短波固态广播发射机的无源器件设计简介

赵 民

（作者单位：甘肃省新闻出版广电局郎木寺广播转播台）

1 无源器件的基础知识

射频无源器件的设计形式有多种多样，一般来说根据其实现形式可简单分为集中参数形式和分布参数形式。集中参数形式简单来讲就是L、C形式，分布参数形式就是传输线形式，传输线又分为多种形式，广电领域常用的是同轴线、微带线、带状线。

1.1 功率合成/分配器

功率合成/分配器的主要技术要求：

（1）具有尽可能低的插入损耗；

（2）功率合成器输入端（功率分配器各输出端）各路信号之间应有足够高的隔离度，以使各路信号之间互不影响。

（3）功率合成器/功率分配器不能改变每路放大器的高频特性，如幅频特性、相位特性、稳定性和可靠性。

（4）功率合成器应具有相同输入/输出阻抗，一般为50 Ω；相应还应具有足够低的输入/输出电压驻波比，一般小于 1.2：1。

（5）功率合成器/功率分配器应具有“性能适度降低”的特性，且在更换放大器是能保持正常工作。整个合成器的功率容量应能够适应任一功率放大器发生故障时的状态。

在实际应用中，主要根据上述对功率合成器/功率分配器的要求，再结合固态发射机的具体电性能指标和结构设计情况来综合考虑和选择、设计功率合成器/功率分配器。

功率合成/分配器具体指标主要有：功率量级；频率特性；各端口驻波；输入损耗；输入端口/输出端口的隔离度及相位一致性。

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，它是一个四端口元件，由称为主传输线（主线）和副传输线（副线）的两段传输线组合构成。

波导、同轴线、带状线和微带线等各种传输线都可以构成定向耦合器。

定向耦合器是一个四端口网络。设端口1和端口2表示主线，端口3和端口4表示副线，当端口1有信号输入而其他端口接有匹配负载时，可用S参量定义定向耦合器的主要技术指标：

耦合度C：主线中端口1的输入功率与副线中正方向端口3的功率之比，一般用对数表示，即

C=10×lg（1/│ S31 │2）dB

方向性系数D：在副线中传向正方向端口3的功率与传向反方向端口4的功率之比，一般用对数表示，即

D=10×lg（│S31│2/│S41│2）

隔离度I：主线中端口1的输入功率与传向副线中反方向端口4的功率之比，一般用对数表示，即

C=10×lg（1/│ S41 │2）dB

此外，还有额定功率容量、输入驻波比、传输损耗、频率特性等。

1.3 滤波器

滤波器是用来选择频率的电路，即让某些频率信号通过并且阻止其他频率通过。滤波器按其插入衰减的频率特征来分有四种类型：低通、高通、带通和带阻。

微波滤波器的技术指标通常有以下几项：

（2）频率范围ω1～ω3和带宽BW：对于带通和带阻而言，也指衰减加大到某一量级时的频率范围，如BW3dB=f23dB-f13dB称为3 dB通带带宽或3 dB阻带带宽。

（3）通带内最大衰减LAr：由于理想滤波器带内衰减为0不可能实现，一般可规定同带内最大的衰减不超过LAr，它包括滤波器的吸收衰减及反射衰减，其数值越小越好。对于无耗滤波器，也通常用同带内最大驻波比表示。

（4）一定带外频率ωS下的带外衰减LA：一般规定在某一带外频率ωS下，最小衰减不能小于要求值LA。

（5）波纹：指通带内信号的平坦度，一般用dB为单位。

一般来说，低通、高通、带通滤波器特性的网络综合是相当复杂的。根据滤波器的实现，可分为巴特沃斯、切比雪夫、椭圆函数等滤波器，根据各自实现特点以及技术要求，来选择使用何种滤波器以及大致阶数，从而基本确定滤波器实现形式。然后，我们利用专业滤波器设计软件Filter Solutions或ADS仿真软件来指导设计，在具体工程实现上，本文会有对应的实物介绍。

不同特定滤波器的特点：巴特沃斯滤波器衰减曲线中没有任何波纹，切比雪夫滤波器具有更陡峭的通带-阻带过度特性。椭圆函数滤波器具有更强的带外抑制。

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1.4 射频无源器件的设计实现的仿真工具

射频无源器件的设计，现在设计技术手段比较多，传统方法，也就是通过公式推导的方法，作为了解，必要时再深入研究。原理上设计可以通过安捷伦公司出品的ADS仿真软件进行验证或设计，对于设计精度要求较高的，另外可以通过HFSS仿真软件、CST软件进行精确设计，整体和实际效果差别不是太大。当然，ADS软件随着不断进步，其自身自带的板级仿真软件也与时俱进，个人建议板级精确仿真还是推荐用HFSS软件或CST软件。

2 短波广播发射机中的无源器件设计

2.1 经典传输线变压器功率合成器

经典传输线变压器四合一原理，如图1所示。

如果要严格用计算公式来推导功率合成器的等效阻抗及匹配平衡负载，很复杂也很难理解，如需要深一步理解，可参见《射频铁氧体宽带器件》。

通常的设计方法是用ADS仿真软件进行仿真，当然从理解角度出发，要推算该传输线变压器的变比，个人有一个简便的方法，如下：

假定功率合成器的各个输入电流分别为I1=I2=I3=I4=I，则中间级2合1合成点的电流为2I，末级输出电流为2I，则两级传输线变压器的变比为（2I/I）2=4。

注意传输线变压器内的正反向电流分别为1、-1。

传输线变压器常规设计原理具体可参见《射频铁氧体宽带器件》中第三章《传输线变压器理论》。

2.2 短波低功率功率分配器

功率分配器，尤其是宽带功率分配器，利用传输线变压器设计，往往体积比较小，设计也比较简单，技术指标也比较好。传输线变压器功率分配器的频率范围可扩展至300 MHz以下，目前皆有应用。

2.3 短波宽带定向耦合器

短波宽带定向耦合器的技术指标：

（1）功率容量：≥1 kW

（2）频率范围：3～30 MHz

（3）主通路驻波：≤1.1

（4）正反向耦合度:-33±0.2 dB

（5）各耦合支路端口驻波：≤1.1

（6）正反向耦合的方向性：≥27 dB

1 kW短波宽带定向耦合器设计原理如下：

实际制作电路原理图如图2所示，图中的串、并联耦合变压器的匝比都是整数比，为42∶l，即m=n=42，采取此匝比可使耦合度最接近33 dB，电阻值与各端口的阻抗值相同，都为50 Ω，主线采用适合大功率通过的直径为2 mm的漆包线。变压器磁芯全部为高磁导率的镍锌铁氧体材料（NXO-100）。选取合适的铁氧体材料，对于宽带定向耦合器的制作很关键，铁氧体的磁导率不同，相应的频率特性也会不同。

2.4 大功率低耦合度的宽带定向耦合器

典型大功率低耦合度宽带短波定向耦合器设计技术指标如下：

（1）功率容量：≥40 kW

（2）频率范围：3～30 MHz

（3）主通路驻波：≤1.1

（4）正反向耦合度:-63±0.3 dB

（5）各耦合支路端口驻波：≤1.2

（6）正反向耦合的方向性：≥23 dB

图1

图2 短波宽带定向耦合器设计电路图及实物图

大功率低耦合度的宽带定向耦合器设计原理如下：该定向耦合器由两部分组成，同轴耦合器和耦合输出补偿电路。

图3为同轴耦合器部分，主通路为3-1/8的同轴硬馈，耦合通路为长度为70 mm左右的耦合杆，两端可分别引出。其耦合曲线为一条曲线，该曲线的变化基本遵循每倍频程6 dB的规律，具体可参见仿真结果图1。

图3

10 kW调幅广播发射机末级定耦的实物参考图见图1。

2.5 可吸收式滤波器

目前，功放组合用的功放管为主流的LDMOS功放管子，该类功放管增益高，对谐波阻抗特性要求也比较高，在短波发射机中，滤波器如用普通的椭圆函数滤波器进行谐波抑制时，在功放管输出功率较大时，由于带外阻抗特性较低的原因，造成功放输出的二、三次谐波比较大，由此滤波器形式改为可吸收式的滤波器，功放管的输出匹配更加稳定、可靠。

此外，选用可吸收式的滤波器，功放模块输出的二、三次谐波通过滤波器高通段由吸收负载吸收，而普通滤波器的二、三次谐波经过滤波器发射后，反射功率又回到了功放模块，如此加大了功放模块的散热要求，降低了功放管有源器件的使用寿命。

可吸收式滤波器的设计电路：

图4 可吸收式滤波器设计电路图

新型跳频2 kW短波发射机上应用的可吸收式低通滤波器设计实物：

图5 2 kW短波发射机可吸收式低通滤波器低通段和高通段

3 结语

射频无源器件在专业课本上相关知识理论比较多，但对于实际工程设计或理解指导意义不是特别大，相关实用教材比较有限。从工程应用角度出发，本文有利于专业工程技术人员设计参考，也便于相关设计师或广电用户学习了解用。