吳俊麗

摘 要 根據(jù)海納F103S型全固態(tài)調(diào)頻立體聲廣播發(fā)射機(jī)上所采用的功率合成器，對威爾金森耦合器原理和并聯(lián)使用、3dB定向耦合器進(jìn)行了定性的分析說明；介紹了功率合成器在實際工作中應(yīng)注意的事項。

關(guān)鍵詞 功率合成器；威爾金森耦合器；3dB定向耦合器

中圖分類號 G2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）190-0016-02

中短波的調(diào)幅方式廣播經(jīng)過了較長時間的發(fā)展，采用雙邊帶調(diào)幅，技術(shù)不斷的得到完善，接收機(jī)的結(jié)構(gòu)越來越簡單、便宜，可以方便的用于固定以及便攜式接收，在調(diào)頻廣播出現(xiàn)前，占據(jù)了聲音廣播的主導(dǎo)地位，但是因為調(diào)幅方式的特點以及工作頻段的限制，其質(zhì)量不能有較大的提高。因此誕生了調(diào)頻廣播技術(shù)，因為其頻帶窄、能耗低、多功能附加業(yè)務(wù)、防串?dāng)_高音質(zhì)等特點，得到了快速發(fā)展，特別是汽車普及以后，車載收音機(jī)成為了調(diào)頻廣播的主力接收終端，使調(diào)頻廣播的生命力愈加旺盛。全固態(tài)調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)技術(shù)先進(jìn)，有體積小，重量輕，耗電少，維護(hù)量小，使用壽命長等諸多優(yōu)點，因此具有很強(qiáng)的生命力和良好的發(fā)展前景。因為技術(shù)所限，單個晶體管的放大量不足以達(dá)到所需輸出功率，所以在全固態(tài)的發(fā)射機(jī)中所采用的都是用多個功率模塊電路并聯(lián)使用，從而得到所需的大功率輸出。所謂功率合成，是指利用兩個以上的晶體管高頻功率模塊同時對輸入信號進(jìn)行功率放大，然后通過合成網(wǎng)絡(luò)將各放大器輸出信號功率相加，得到總的輸出功率。

1 四功率合成器

本臺使用的原陜西海納廠2006生產(chǎn)的調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)，型號為F103S，整機(jī)構(gòu)成主要有：RVR激勵器，八塊1.5kW功放模塊，四功率、二功率合成器，整機(jī)電源系統(tǒng)，電腦智能控制系統(tǒng)等組成。它有八路功放模塊經(jīng)功率合成后輸出，發(fā)射機(jī)八塊功放分兩組，每組有四塊功放合成一路，四路功率合成器是由威爾金森耦合器（Wilkinson coupler ），相移為0度的四個并聯(lián)在一起構(gòu)成。

1.1 威爾金森耦合器原理

威爾金森功分器的λ/4微帶線特性阻抗都是Zo。在需要功率平均分配時，其輸入和輸出口間的分支線特性阻抗相等，各路信號所經(jīng)過的電長度相同（即線長為λ/4），在輸出端跨接一個隔離電阻R，使其值為2Zo。可以由微波理論證明，當(dāng)這種耦合器的端口2、3的阻抗匹配時，端口1上無輸入反射，反之對端口2、3也是如此。此時由端口1輸入的功率被平分到端口2和3，且端口2、3之間相互隔離。

1.2 威爾金森耦合器并聯(lián)的實際應(yīng)用

在海納F103S型調(diào)頻發(fā)射機(jī)中，采用的功率合成器其特性阻抗為70.7Ω，印制的微帶線長度為1/4波長（λ/4）。它把等幅、同相位經(jīng)功放模塊放大后的射頻功率信號四路合成后輸出，如能保證輸入端四路射頻功率信號等幅、同相位，則功率合成的效果最佳，吸收負(fù)載裝置無功率消耗。假如輸入端四路射頻功率信號幅度、相位有差異，就會有部分功率被吸收負(fù)載裝置吸收消耗。其技術(shù)參數(shù)為：頻率范圍：87MHz～108MHz；輸入輸出阻抗：50Ω；駐波比：VSWR≤1.15；插入損耗：<0.05dB；輸出端隔離度：>16dB；輸入端功率：≤1.5kW；合成輸出功率：≤6.0kW。

1.3 使用注意事項分析

在發(fā)射機(jī)工作中，會出現(xiàn)某一個功放模塊故障，停止工作無功率輸出。其他正常的功放模塊經(jīng)過四路功率合成以后，只會有部分功率輸出到輸出端，剩余的功率都會消耗在吸收負(fù)載裝置上。

合成器的輸出功率與吸收負(fù)載上消耗的功率之間關(guān)系可以根據(jù)以下公式計算：

Pout=n×Po（n-x）2/n2

Pb=（n-x）Po-Pout

其中：Pout：合成器輸出功率；Po：功率放大器額定功率；Pb：吸收負(fù)載口的消耗功率；n：功率放大器總數(shù)量；x：停止工作的功放數(shù)量。

對于本臺發(fā)射機(jī)來說，Po=1.3kW n=4

當(dāng)x=1時（有一路功放出故障不工作）

則有Pout=2 925W Pb=975W

說明5.2kW的功放合成輸出只有2 925W，平衡電阻上消耗975W。

當(dāng)x=2時（有兩路功放出故障不工作）

則有Pout=1.3kW Pb=1.3kW

說明5.2kW的功放合成輸出只有1.3kW，平衡電阻上消耗1.3kW。

因此在合成器工作之前，一定要先檢查合成器上連接吸收負(fù)載的50Ω電纜連接是否可靠。日常使用時，合成器不需要做任何調(diào)整，維護(hù)時應(yīng)該檢查各連接口是否正常，螺釘有無松動，接頭是否發(fā)熱。

2 3dB二功率合成器

本發(fā)射機(jī)功率二合成器采用的是3dB合成器，是利用3dB傳輸線定向耦合器的原理實現(xiàn)功率合成，屬于常見的合成方式。結(jié)構(gòu)形式主要有蛇形線、帶狀線、微帶線以及雙芯電纜等。其結(jié)構(gòu)簡單，但兩輸入端輸入的合成功率之間應(yīng)有90°的相位差，且只能兩路合成。

2.1 3dB定向耦合器原理

定向耦合器具有方向性，能將一路功率信號按比例分出一部分功率或分成幾路，達(dá)到功率的隔離、分離和混合目的，因其結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，體積小巧等特點，成為高頻設(shè)備中應(yīng)用廣泛的通用部件。

3dB定向耦合器（如圖1）是一種強(qiáng)定向的耦合器，它具有方向性，由兩對長度為λ/4的平行傳輸線構(gòu)成，利用傳輸線的定向耦合作用，將輸入功率一半的能量分配給對稱的另一根傳輸線，信號從端口1端輸入（輸入端），則有一半能量分配到對稱的另一根傳輸線的端口3（耦合端），剩下的另一半能量直接送到端口2（直通端），如果端口2和端口3阻抗均與耦合器匹配，則沒有能量送到端口4（隔離端）。

由以上可知，利用3dB定向耦合器既能用作功率分配使用，又能用作功率合成使用。當(dāng)作為功率合成器使用時，需要用兩路信號源同時分別加于3dB定向耦合器對角線的兩端（可用1和4端口或用2和3端口），并且要求兩個信號源的相位相差90度，如圖2所示。

由上可知，當(dāng)電壓幅度相等（U1=U2），相位相差是90度的兩個信號源，被同時分別相加在端口1上和端口4上時，信號電壓通過直通和耦合在端口2疊加，輸出電壓為√2Ue-j90°；在端口3幅度相等，相位相差180°，相互抵消為零；而端口1和端口4互為隔離端，兩信號源互不產(chǎn)生影響。于是兩個信號源共同作用的結(jié)果，將兩路信號合成后由端口2輸出。從功率的角度看，如端口1和端口4的輸入功率皆為：

Pin=U2/2R

則合成后端口2的輸出功率將為：

Pout=（√2U）2/2R=2Pin

對于作為功率合成器使用的3dB定向耦合器來說，得到的輸出功率是經(jīng)輸出端（端口2）合成的兩個輸入功率的和，既二路功率合成。當(dāng)兩信號源輸入電壓振幅相等、相位相差90°，且分別加于3dB定向耦合器的互為隔離端，其合成后輸出的功率將為信號源輸入之和。但是。在U1≠U2的情況下，由以上原理可知，端口3將有一定輸出而被負(fù)載消耗掉，而端口2仍可得到二者主要功率的合成輸出。

2.2 使用與維護(hù)事項

與四功率合成器一樣，功率合成器不需要做任何調(diào)整，在日常使用時，一定要經(jīng)常檢查合成器上連接吸收負(fù)載的50Ω電纜連接是否可靠，各連接口是否正常，螺釘有無松動，接頭是否發(fā)熱等。

參考文獻(xiàn)

[1]張普.海納F103S型10kW調(diào)頻發(fā)射機(jī)原理維護(hù)淺析[J].電子世界，2014（20）：71.

[2]劉建榮.淺談F103S型發(fā)射機(jī)的設(shè)計缺陷及改進(jìn)方案[J].視聽，2009（9）：29.