第 1 章 功率电子线路
1.4 功率合成技术
1.4.1 功率合成电路的作用
1.4.2 传输线变压器
1.4.3 用传输线变压器构成的魔 T 混合网络
1.4.1 功率合成电路的作用
功率合成技术就是将
多个功率放大器的输出功
率叠加起来, 给负载提供
足够大的输出功率 。
一, 功率合成
A,B 两端输入等值
同相功率, C 端负载 Rc
获得两输入功率的合成,
而 D 端负载 Rd 上无功率
输出 。
A,B 两端输入等值
同相功率, C 端负载 Rc
获得两输入功率的合成,
而 D 端负载 Rd 上无功率
输出 。
A,B 两输入端输入
等值反相功率, D 端负载
Rd 获得两输入功率的合
成, 而 C 端负载 Rc 上
无功率输出 。
二, 彼此隔离
当 Rd 和 Rc 之间满
足特定关系时, A,B 两
输入端彼此隔离 。
三, 功率分配
当 Ra = Rb 时, 将功
率放大器加在 D 端, 功
率放大器的输出功率均等
地分配给 Ra 和 Rb, 且
它们之间是反相的, 而
C 端无功率输出 。
将功率放大器加 C端,
功率放大器的输出功率均
等地分配给 Ra 和 Rb,且
它们之间是同相的, 而 D
端无功率输出 。
一个理想的功率合成电路应该具有以下特点,
① N 个同类型的功率放大器, 它们的输出振幅相等,
通过功率合成器输出给负载的功率应等于各功率放大器输
出功率的和 。
② 与功率合成器连接的各功率放大器彼此隔离, 任何
一个功率放大器发生故障时, 不影响其他放大器的功率输
出 。
实现功率合成的电路种类很多, 一般都由无源元件组
成, 统称为魔 T 混合网络 。 在实际应用中, 往往需要功率
合成电路具有宽带特性, 这种功率合成电路由传输线变压
器构成 。
1.4.2 传输线变压器
一, 变压器和传输线的工作频带
高频变压器：由于线圈的漏感和匝间分布电容的作用,
其上限频率只能工作在几十兆赫, 下限频率受激磁电感量
的限制 。
传输线：传输线就是连接信号源和负载的两根导线,
它的上限频率与导线长度 l 有关, l 越小, 上限频率 fH 越
高 。 它的下限频率为零 。
传输线变压器如图 1–4–3 所示 。
图 1-4-3 传输线变压器
设上限频率 fH 对应的
波长为 ?min,取
m i n10
1~
8
1 ??
?
??
?
?=l
可以认为,
v1 = v2 = v,
i1 = i2 = i
二, 传输线变压器的工作原理
传输线变压
器原理图如图 1–
4–4(a)所示 。
将传输线绕
于磁环上便构成
传输线变压器 。
传输线可以是同
轴电缆, 双绞线,
或带状线, 磁环
一般是镍锌高磁
导率的铁氧体 。
三, 传输线变压器功能
1,对称与不对称变换
对称 – 不对称变换, 将对地对称的双端输入信号转换
为对地不对称的单端输出信号, 如 图 1–4–6(a)所示 。
图 1-4-6 对称与不对称变压器
(a) 对称 -不对称 (b) 不对称 -对称
参见 图 1–4–4(b),在高频时, 传输线变压器以电磁能
交替变换的传输方式传送能量 。
如 图 1–4–4(c)
所示, 在低频时,
由于传输线绕在磁
环上, 1 端和 2 端
与 3 端和 4 端的
短导线成为较大的
电感线圈, 避免了
信号源和负载被短
接, 实现了倒相作
用 。 能量通过传输
线方式和磁耦合方
式传送 。
不对称 – 对称变换, 将对地不对称的单端输入信号转
换为对地对称的双端输出信号, 如图 1–4–6(b)所示 。
(a) 对称 – 不对称 (b) 不对称 – 对称
2,阻抗变换器
传输线变压器可以构成阻抗变换器, 由于结构的限制,
通常只能实现特定的阻抗比的 变换 。
4, 1 阻抗变换器 如 图 1–4–7(a)所示, 图中阻抗关系为
i
v
i
vR
22
o
L == Li 424
2 R
i
v
i
vR ===
i
v
i
vR
22
o
L == Li 424
2 R
i
v
i
vR ===
实现 4, 1 的阻抗变换 。 传输线变压器的特性阻抗为
Lc 222 Ri
v
i
vZ ===
1, 4 阻抗变换器 如 图 1–4–7(b)所示, 图中阻抗关系为
i
v
i
vR 2o
L == Li 4
1
4
2
2 Ri
v
i
vR ===
实现 1, 4 的阻抗变换 。 传输线变压器的特性阻抗为
Lc 2
12
2
1 R
i
v
i
vZ ===
1.4.3 用传输线变压器构成的
魔 T 混合网络
一, 功率合成
如图 1-4-8 所示,
Tr 1 为魔 T 混合网络,
Tr 2 为对称 – 不对称变
换器 。
输入信号接在 A
端和 B 端, 根据节点
方程
i = ia - id,i = id - ib
i = ia - id,i = id - ib
求出
)(21 bad iii ?=
)(21 ba iii -=
而
ic = 2i = ia - ib
i = ia - id,i = id - ib
)(21 bad iii ?=
)(21 ba iii -=
ic = 2i = ia - ib
1,输入为等值反相信号
ia = ib = Imsin? t,
va = vb = Vmsin? t
因为 ic = 0,所以 C 端无功率输出 。
vd = va ? vb = 2Vmsin? t,tIiii ?s i n)(21 mbad =?=
ia = ib = Imsin? t,
va = vb = Vmsin? t
因为 ic = 0
所以 C 端无功率输出 。
vd = va ? vb = 2Vmsin? t,
tIiii ?s i n)(21 mbad =?=
D 端的输出功率
ba
mm
d 2
2 PPIVP ?==
输出功率为 A 端输入功率和 B 端输入功率的和 。
每个功率放大器的等效负载
2
2/ d
d
d
b
b
a
a
L
R
i
v
i
v
i
vR ====
2,输入为等值同相信号
ia = -ib = Imsin? t,
va = -vb = Vmsin? t
因为 id = 0
所以 D 端无功率输出 。
vc = va = -vb = Vmsin? t,
ic = ia - ib = 2Imsin? t
C 端的输出功率
ba
mm
c 2
2 PPIVP ?==
输出功率为 A 端输入功率和 B 端输入功率的和 。
2,输入为等值同相信号
ia = -ib = Imsin? t,
va = -vb = Vmsin? t
因为 id = 0,
所以 D 端无功率输出 。
vc = va = -vb = Vmsin? t,
ic = ia - ib = 2Imsin? t
C 端的输出功率
ba
mm
c 2
2 PPIVP ?==
输出功率为 A 端输入功率和 B 端输入功率的和 。
每个功率放大器的等效负载
c
c
c
b
b
a
a
L 22/ Ri
v
i
v
i
vR ====
3,异常输入情况
ia ? ib,va ? vb
根据电路的约束条件
cbdca 22
1 iRRivvv ?=?=
cbdcb 22
1 iRRivvv -=-=
将 )(21 bad iii ?= )(21 ba iii -=
代入并整理, 求解出
cd
c
d
b
cd
c
d
aa
44
RR
R
R
v
RR
R
R
vi
-
-
?
=
cd
c
d
a
cd
c
d
bb
44
RR
R
R
v
RR
R
R
vi
-
-
?
=
cd
c
d
b
cd
c
d
aa
44
RR
R
R
v
RR
R
R
vi
-
-
?
=
cd
c
d
a
cd
c
d
bb
44
RR
R
R
v
RR
R
R
vi
-
-
?
=
若取
dc 4
1 RR =
ia 仅与 va 有关, ib 仅与 vb 有关 。 实现了 A 端和 B 端的隔
离, 称为 A,B 间的隔离条件 。
二, 功率分配
1,同相功率分配
同相功率分配电路如 图 1–4–9(a)所示 。
ic = 2i, ia = i - id, ib = i + id, vd = idRd = iaRa - ibRb
整理得到
bad
ba
c
bad
ba
d 2
1
RRR
RRi
RRR
RRii
??
-=
??
-=
图 1–4–9 功率分配电路
(a) 同相
ic = 2i, ia = i - id, ib = i + id, vd = idRd = iaRa - ibRb
bad
ba
c
bad
ba
d 2
1
RRR
RRi
RRR
RRii
??
-=
??
-=
取 Ra = Rb = R
则 id = 0
D 端无功率输出 。
ia = ib = ic /2
A 端和 B 端获得等值同相功
率 。
C 端的等效负载为 R/2。
图 1–4–9 功率分配电路
(b) 反相
2,反相功率分配
反相功率分配电路如 图 1–4 –9(b)所示 。
同理可以证明：当 Ra = Rb = R 时
ic = 2i = 0
ia = ib = id
则 ic = 0
C 端无功率输出 。
A 端和 B 端获得等值反
相功率 。
D 端的等效负载为 R/2。
1.4 功率合成技术
1.4.1 功率合成电路的作用
1.4.2 传输线变压器
1.4.3 用传输线变压器构成的魔 T 混合网络
1.4.1 功率合成电路的作用
功率合成技术就是将
多个功率放大器的输出功
率叠加起来, 给负载提供
足够大的输出功率 。
一, 功率合成
A,B 两端输入等值
同相功率, C 端负载 Rc
获得两输入功率的合成,
而 D 端负载 Rd 上无功率
输出 。
A,B 两端输入等值
同相功率, C 端负载 Rc
获得两输入功率的合成,
而 D 端负载 Rd 上无功率
输出 。
A,B 两输入端输入
等值反相功率, D 端负载
Rd 获得两输入功率的合
成, 而 C 端负载 Rc 上
无功率输出 。
二, 彼此隔离
当 Rd 和 Rc 之间满
足特定关系时, A,B 两
输入端彼此隔离 。
三, 功率分配
当 Ra = Rb 时, 将功
率放大器加在 D 端, 功
率放大器的输出功率均等
地分配给 Ra 和 Rb, 且
它们之间是反相的, 而
C 端无功率输出 。
将功率放大器加 C端,
功率放大器的输出功率均
等地分配给 Ra 和 Rb,且
它们之间是同相的, 而 D
端无功率输出 。
一个理想的功率合成电路应该具有以下特点,
① N 个同类型的功率放大器, 它们的输出振幅相等,
通过功率合成器输出给负载的功率应等于各功率放大器输
出功率的和 。
② 与功率合成器连接的各功率放大器彼此隔离, 任何
一个功率放大器发生故障时, 不影响其他放大器的功率输
出 。
实现功率合成的电路种类很多, 一般都由无源元件组
成, 统称为魔 T 混合网络 。 在实际应用中, 往往需要功率
合成电路具有宽带特性, 这种功率合成电路由传输线变压
器构成 。
1.4.2 传输线变压器
一, 变压器和传输线的工作频带
高频变压器：由于线圈的漏感和匝间分布电容的作用,
其上限频率只能工作在几十兆赫, 下限频率受激磁电感量
的限制 。
传输线：传输线就是连接信号源和负载的两根导线,
它的上限频率与导线长度 l 有关, l 越小, 上限频率 fH 越
高 。 它的下限频率为零 。
传输线变压器如图 1–4–3 所示 。
图 1-4-3 传输线变压器
设上限频率 fH 对应的
波长为 ?min,取
m i n10
1~
8
1 ??
?
??
?
?=l
可以认为,
v1 = v2 = v,
i1 = i2 = i
二, 传输线变压器的工作原理
传输线变压
器原理图如图 1–
4–4(a)所示 。
将传输线绕
于磁环上便构成
传输线变压器 。
传输线可以是同
轴电缆, 双绞线,
或带状线, 磁环
一般是镍锌高磁
导率的铁氧体 。
三, 传输线变压器功能
1,对称与不对称变换
对称 – 不对称变换, 将对地对称的双端输入信号转换
为对地不对称的单端输出信号, 如 图 1–4–6(a)所示 。
图 1-4-6 对称与不对称变压器
(a) 对称 -不对称 (b) 不对称 -对称
参见 图 1–4–4(b),在高频时, 传输线变压器以电磁能
交替变换的传输方式传送能量 。
如 图 1–4–4(c)
所示, 在低频时,
由于传输线绕在磁
环上, 1 端和 2 端
与 3 端和 4 端的
短导线成为较大的
电感线圈, 避免了
信号源和负载被短
接, 实现了倒相作
用 。 能量通过传输
线方式和磁耦合方
式传送 。
不对称 – 对称变换, 将对地不对称的单端输入信号转
换为对地对称的双端输出信号, 如图 1–4–6(b)所示 。
(a) 对称 – 不对称 (b) 不对称 – 对称
2,阻抗变换器
传输线变压器可以构成阻抗变换器, 由于结构的限制,
通常只能实现特定的阻抗比的 变换 。
4, 1 阻抗变换器 如 图 1–4–7(a)所示, 图中阻抗关系为
i
v
i
vR
22
o
L == Li 424
2 R
i
v
i
vR ===
i
v
i
vR
22
o
L == Li 424
2 R
i
v
i
vR ===
实现 4, 1 的阻抗变换 。 传输线变压器的特性阻抗为
Lc 222 Ri
v
i
vZ ===
1, 4 阻抗变换器 如 图 1–4–7(b)所示, 图中阻抗关系为
i
v
i
vR 2o
L == Li 4
1
4
2
2 Ri
v
i
vR ===
实现 1, 4 的阻抗变换 。 传输线变压器的特性阻抗为
Lc 2
12
2
1 R
i
v
i
vZ ===
1.4.3 用传输线变压器构成的
魔 T 混合网络
一, 功率合成
如图 1-4-8 所示,
Tr 1 为魔 T 混合网络,
Tr 2 为对称 – 不对称变
换器 。
输入信号接在 A
端和 B 端, 根据节点
方程
i = ia - id,i = id - ib
i = ia - id,i = id - ib
求出
)(21 bad iii ?=
)(21 ba iii -=
而
ic = 2i = ia - ib
i = ia - id,i = id - ib
)(21 bad iii ?=
)(21 ba iii -=
ic = 2i = ia - ib
1,输入为等值反相信号
ia = ib = Imsin? t,
va = vb = Vmsin? t
因为 ic = 0,所以 C 端无功率输出 。
vd = va ? vb = 2Vmsin? t,tIiii ?s i n)(21 mbad =?=
ia = ib = Imsin? t,
va = vb = Vmsin? t
因为 ic = 0
所以 C 端无功率输出 。
vd = va ? vb = 2Vmsin? t,
tIiii ?s i n)(21 mbad =?=
D 端的输出功率
ba
mm
d 2
2 PPIVP ?==
输出功率为 A 端输入功率和 B 端输入功率的和 。
每个功率放大器的等效负载
2
2/ d
d
d
b
b
a
a
L
R
i
v
i
v
i
vR ====
2,输入为等值同相信号
ia = -ib = Imsin? t,
va = -vb = Vmsin? t
因为 id = 0
所以 D 端无功率输出 。
vc = va = -vb = Vmsin? t,
ic = ia - ib = 2Imsin? t
C 端的输出功率
ba
mm
c 2
2 PPIVP ?==
输出功率为 A 端输入功率和 B 端输入功率的和 。
2,输入为等值同相信号
ia = -ib = Imsin? t,
va = -vb = Vmsin? t
因为 id = 0,
所以 D 端无功率输出 。
vc = va = -vb = Vmsin? t,
ic = ia - ib = 2Imsin? t
C 端的输出功率
ba
mm
c 2
2 PPIVP ?==
输出功率为 A 端输入功率和 B 端输入功率的和 。
每个功率放大器的等效负载
c
c
c
b
b
a
a
L 22/ Ri
v
i
v
i
vR ====
3,异常输入情况
ia ? ib,va ? vb
根据电路的约束条件
cbdca 22
1 iRRivvv ?=?=
cbdcb 22
1 iRRivvv -=-=
将 )(21 bad iii ?= )(21 ba iii -=
代入并整理, 求解出
cd
c
d
b
cd
c
d
aa
44
RR
R
R
v
RR
R
R
vi
-
-
?
=
cd
c
d
a
cd
c
d
bb
44
RR
R
R
v
RR
R
R
vi
-
-
?
=
cd
c
d
b
cd
c
d
aa
44
RR
R
R
v
RR
R
R
vi
-
-
?
=
cd
c
d
a
cd
c
d
bb
44
RR
R
R
v
RR
R
R
vi
-
-
?
=
若取
dc 4
1 RR =
ia 仅与 va 有关, ib 仅与 vb 有关 。 实现了 A 端和 B 端的隔
离, 称为 A,B 间的隔离条件 。
二, 功率分配
1,同相功率分配
同相功率分配电路如 图 1–4–9(a)所示 。
ic = 2i, ia = i - id, ib = i + id, vd = idRd = iaRa - ibRb
整理得到
bad
ba
c
bad
ba
d 2
1
RRR
RRi
RRR
RRii
??
-=
??
-=
图 1–4–9 功率分配电路
(a) 同相
ic = 2i, ia = i - id, ib = i + id, vd = idRd = iaRa - ibRb
bad
ba
c
bad
ba
d 2
1
RRR
RRi
RRR
RRii
??
-=
??
-=
取 Ra = Rb = R
则 id = 0
D 端无功率输出 。
ia = ib = ic /2
A 端和 B 端获得等值同相功
率 。
C 端的等效负载为 R/2。
图 1–4–9 功率分配电路
(b) 反相
2,反相功率分配
反相功率分配电路如 图 1–4 –9(b)所示 。
同理可以证明：当 Ra = Rb = R 时
ic = 2i = 0
ia = ib = id
则 ic = 0
C 端无功率输出 。
A 端和 B 端获得等值反
相功率 。
D 端的等效负载为 R/2。
