功率合成技术在中波发射机中的应用探析

张 雷

（大连三〇三转播台，辽宁 大连 116600）

0 引 言

现阶段，功率合成技术在中波发射机领域的应用极为广泛，能够为中波发射机提供功率稳定的输出信号，并对分量信号形成抑制作用，在减少投用滤波器、促进集成化等方面具有重要作用价值[1]。本文基于功率合成技术概述分析，探讨功率合成条件及功率合成技术在中波发射机中的实际应用，以期为充分发挥技术作用优势提供参考。

1 功率合成技术概述

功率合成技术主要应用于功率合成与分配及阻抗变换中[1]。在具体实践应用中，通常应用无源元件可以组成功率合成电路，并统称为魔T 混合网络[2]。应用功率合成技术构成的功放器，即功率合成器，是由数个功放单元、功率分配器等组合而成的系统[3]。

功率合成技术的应用效果直接影响中波发射机的输出功率级别，最终影响到发射机的综合指标[4]。为保证并有效提升功率合成技术在中波发射机中的应用效果，本文将基于功率合成条件分析，对该技术的实践应用进行探析。

2 功率合成条件分析

2.1 功率相加条件分析

通常情况下，50 MHz 以下的高频设备通常应用高频合成变压器进行功率合成[5]。以此为例，对功率相加条件进行深度分析。首先，将参与叠加的功放模块设置成信号源，分别用U1,U2,…,Um表示；其次，将相应信号源下的内阻分别设置为R1,R2,…,Rm，各模块所对应的合成变压器初级线圈具有相同的匝数比，设置为K=17 ∶1[6]。

在各模块中输入初级电压U、电流I，则各模块的信号源关系如下：

各模块的内阻关系[7]如下：

各模块的输出功率表示为：

为得到最大输出功率，应通过功率最大化公式计算，得出获得的最大化合成功率[7-8]。

功率最大化公式表示为：

得到的最大化合成功率表示为：

上述合成结果满足功率相加条件，在获得最大化功率方面具有有效性。

2.2 各功放模块功率输出相关性分析

各功放模块功率输出相关性分析，应对功放模块损坏时损失的输出功率、功放模块损坏时剩余功放模块的输出功率进行分析[8]。

损失输出功率计算方面，在功放模块短路损坏状态下，被短路的模块不再产生射频电压，但无故障单元的电路输出射频电压振幅不变[9]，即，各功放单元的电路输出射频电压振幅U不变[9]。此时，功率合成变压器的叠加次级电压UL´状态表示为：

式中：m表示功放模块总数，n表示出现短路损坏的功放模块数。

此状态下，电流状态与负载功率分别表示为式（11）、式（12）：

最终得出功放模块短路损坏状态下的损失功率为：

式中：n≤m。

基于上述分析可知，当中波发射机出现功放模块损坏情况时，损失的功率为为保证中波发射机的使用安全，应尽快查找并清除个别功放模块的损坏问题，必要时应及时进行功放模块更换[10]。

剩余功放模块输出功率计算方面，若在模块应用过程中出现n个功放模块短路缺损、负载阻抗PL不变情况，则与变压器初级相关的参数及变量发生改变[10]，变化情况如下：

此时，每个模块的输出功率转变为：

高频变压器合成方式下，若出现短路缺损，功率合成的总输出功率降低、输入与输出阻抗发生变化，且无故障模块输出功率下降，即短路缺损模块越多，功率下降越多[11]。但通过实践分析发现，功率合成器无法完全隔离，在缺损较少的情况下，功率变化情况对中波发射机的工作并不产生影响。

在开路缺损状态下，已知合成器的输出阻抗Rout为：

结合前文分析可知：

则：

此时，功放模块的电流[11]表示为：

各功放模块的功率表示为：

基于上述分析可知，若第一个模块出现开路损坏，则变压器的输入阻抗将变大，功率合成器的功率无法输出[11]。

3 功率合成技术类型及其在中波发射机中的应用

为有效推动中波发射机集成化、数字化、智能化发展，有必要对不同类型的功率合成器在中波发射机中的应用进行探析。下文主要探讨λ/4 传输线段功率合成、变压器混合网络的实践应用。

3.1 λ/4 传输线段功率合成

以TBV332 型发射机功率合成器为例，其配置了微带传输线。λ/4 传输线在该型发射机中的应用具体有以下几点。

（1）中波发射机的频段增益大于18 dB，模块上的合成电路由4 个两路相同的功率合成器构成，合成支路的功放单元有2 路，合成器输入、输出特征阻抗为50 Ω，线路等效长度为25.0%，输入信号通过λ/4 传输线转换阻抗为702/50 Ω[12]。

（2）微带线传输线对线路进行传输处理，在同等工况下，能够保证功率合成与负载阻抗形成良好匹配关系。

（3）在运行阶段，4 路射频输入功率不会出现损耗的问题，该功率合成可以将各功放模块进行相应的隔离电阻衔接，为电路器件散热提供便利条件[13]。

（4）若等幅信号输送到各线路，则各线路在衔接隔离电阻过程中会形成相应的等幅反向电流，且不存在功率损耗的情况，使各模块处于独立工作的状态中，如图1 所示，为提高中波发射机运行实效奠定基础。

图1 λ/4 传输线段功率合成

3.2 变压器混合网络

以宏观视角探析功率合成技术在中波发射机中的应用，可以将传输线变压器看作传输线与变压器的功能耦合[13]。在具体实践中，需要将传输线环绕在高导磁率的高频磁芯上，以实现能量的同步传送。

图2为传输变压器的运行原理。图中，L1，L2是两节同轴电缆，该电缆是变压器反相功率合成器的重要组成部分。

图2 传输变压器运行原理示意图

通常情况下，若功率合成的输出功率≤300 W，则其特性阻抗值为100 Ω，输出阻抗值为200 Ω[13]。以图2 所示的传输变压器为例，探析变压器合成器的运行机理，主要有以下几点：

（1）图中C点所对应的是和端输出，D点所对应的是差端输出；

（2）图中A点与B点的输入信号经过同等的电长度，且肉眼观察可见其电路具有明显的对称性；

（3）图中C点可以形成等幅反相电流，但电流通过叠加进行抵消，无法形成输出功率；

（4）图中D点形成的信号可以在相减后得到可顺利输出的合成功率，负载电阻可以通过功率合成器呈现在A点和B点上，并形成良好的匹配关系；

（5）T3处的功率输出形式为平衡式输出，输出过程经过“平衡——不平衡传输——变压器转换——通过负载连接形成功率输出”的完整体[13]。

4 结 语

本文以实践应用为视角，对功率合成技术在中波发射机中的应用进行研究。功率合成技术的应用在满足发射机运行要求的基础上，提升了运行效率，且在节能等方面具有一定优势。为进一步发挥功率合成技术的价值作用，应尽量保证输入功率信号相位一致，规避功率消耗等问题。综合而言，本文未以经济性视角对功率合成技术的应用进行研究，需要在后续研究中进行补充。