基于傳輸線變壓器的功率合成器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

摘要： 本文主要介紹了一種短波寬帶功率合成器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，該所設(shè)計(jì)的功率合成器是一種電流型合成網(wǎng)絡(luò)，主要采用基于傳輸線變壓器為主的合成方式。它由多個(gè)變壓器信號(hào)輸入和一個(gè)變壓器信號(hào)輸出組成，能夠完成短波寬帶發(fā)信機(jī)射頻通路功率合成，實(shí)現(xiàn)多路射頻信號(hào)的功率合成及整機(jī)需要的阻抗變換。

關(guān)鍵詞：大功率短波；傳輸線變壓器；功率合成

短波通信的傳輸媒介是電離層，具有抗毀能力強(qiáng)，設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，使用靈活的特點(diǎn)，在一些特殊領(lǐng)域，短波通信是重要的溝通手段。大功率短波寬帶發(fā)信機(jī)作為短波通信系統(tǒng)的重要組成部分，與天饋系統(tǒng)配接，利用大功率優(yōu)勢(shì)保障在復(fù)雜電磁環(huán)境下的遠(yuǎn)程可靠通信。隨著無(wú)線電通信業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展、電磁環(huán)境逐漸惡化，電磁密度的增加，使得遠(yuǎn)距離可靠通信對(duì)發(fā)信機(jī)發(fā)送功率的要求越來(lái)越大，但有源器件在頻率較高時(shí)的放大能力下降， 單個(gè)功放管模塊輸出功率較小，無(wú)法達(dá)成目標(biāo)，為提升發(fā)信機(jī)的發(fā)射功率，通常采用多個(gè)功放、多級(jí)功率分配及功率合成的方法實(shí)現(xiàn)更大功率等級(jí)輸出。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的短波寬帶功率合成器以實(shí)現(xiàn)多路射頻信號(hào)的功率合成是具有重要意義的。

一、概述

（一）指標(biāo)要求

為提升短波寬帶發(fā)信機(jī)的輸出功率，研制一種六路合一的功率合成器，其主要技術(shù)指標(biāo)要求為：

①頻率范圍：3MHz～30MHz；

②輸入/輸出阻抗：50Ω；

③插入損耗：≤0.5dB；

④功率容量：2000W（CW）。

（二）設(shè)備用途及組成

功率合成器配套短波寬帶發(fā)信機(jī)使用，實(shí)現(xiàn)多組射頻信號(hào)的功率合成。功率合成器主要由輸入變壓器、輸出變壓器、平衡電阻、機(jī)箱、散熱器和風(fēng)機(jī)等組成。

二、設(shè)計(jì)方案

（一）電路原理

功率合成器的電路原理是將六路等幅同相的射頻功率信號(hào)合成為一路射頻功率輸出，原理如圖1所示。

為了滿足寬帶、大功率的使用要求，選擇以傳輸線變壓器為主的功率合成方式。傳輸線變壓器具有體積小、功率容量大、工作頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，工作頻帶可達(dá)到10個(gè)倍頻程，廣泛應(yīng)用于短波領(lǐng)域。原理圖中T1～T6為輸入變壓器，每一路射頻輸入分別經(jīng)由輸入變壓器實(shí)現(xiàn)功率合成，合成后的信號(hào)阻抗為低阻抗，為6路50Ω并聯(lián)后的阻抗，電流為6路射頻的電流之和，實(shí)現(xiàn)電流合成。合成后的低阻信號(hào)，經(jīng)輸出變壓器T7，抗轉(zhuǎn)換為50Ω，實(shí)現(xiàn)發(fā)信機(jī)50Ω輸出阻抗要求。R1～R6為平衡電阻，取值為傳輸線的特性阻抗，其作用是吸收各路信號(hào)不均衡時(shí)產(chǎn)生的耗散功率，極端情況下，當(dāng)某一路射頻功率信號(hào)大幅降低時(shí)，可保障發(fā)信機(jī)高功率輸出。

圖1 ?功率合成器原理圖

（二）電路設(shè)計(jì)

1.變壓器繞線長(zhǎng)度計(jì)算

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)磁環(huán)規(guī)格、磁導(dǎo)率、安裝尺寸等條件，輸入變壓器選擇磁導(dǎo)率值為350的磁環(huán)繞制，單個(gè)磁環(huán)尺寸為40mm×18mm×12mm，單個(gè)磁環(huán)的功率容量無(wú)法滿足要求，為達(dá)到較大的功率容量，需增大磁路面積，采用6個(gè)磁環(huán)，分別把3個(gè)磁環(huán)對(duì)齊黏合，布局上把2組黏合好的磁環(huán)并排固定，用聚酯薄膜膠帶纏繞緊固，用同軸線沿2組磁環(huán)的公共內(nèi)壁緊密繞制3圈。根據(jù)式（1）計(jì)算得到輸入變壓器的電感值。

（1）

為了保證低頻響應(yīng)良好，除采用高磁導(dǎo)率的磁芯外，還必須有一定的繞組長(zhǎng)度、繞線匝數(shù)，以使初級(jí)繞組有足夠大的感抗。

2.平衡電阻計(jì)算

輸入變壓器的輸入阻抗為50Ω，6路合成后的負(fù)載阻抗為8.3Ω[1]。輸出變壓器的輸入阻抗為8.3Ω，負(fù)載阻抗為50Ω，根據(jù)式（2），得到傳輸線變壓器的特性阻抗ZC（其中Rg為源阻抗，RL為負(fù)載阻抗）：

（2）

平衡電阻阻值取傳輸線特性阻抗值20.4Ω，同時(shí)要根據(jù)射頻電流值選擇平衡電阻的功率和溫度參數(shù)。

3.輸入變壓器計(jì)算

變壓器設(shè)計(jì)需要考慮功率容量足夠、最大磁感應(yīng)強(qiáng)度小于變壓器磁芯的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度，因此磁環(huán)的選擇非常關(guān)鍵。

為了得到寬帶響應(yīng)，特別是展寬低頻響應(yīng)，磁環(huán)應(yīng)選擇高磁導(dǎo)率、低損耗的高頻磁性材料。磁性材料選用強(qiáng)場(chǎng)功率軟磁鐵氧體材料，其特點(diǎn)是在高頻工作頻率下能承受不同量的功率不發(fā)熱或發(fā)熱在允許值內(nèi)[2]。

輸入變壓器選擇磁導(dǎo)率值為350的磁環(huán)繞制，單個(gè)磁環(huán)尺寸為40mm×18mm×12mm，為達(dá)到較大的功率容量，需增大磁路面積，采用6個(gè)磁環(huán)疊加使用，分別把3個(gè)磁環(huán)對(duì)齊黏合形成2組，把2組黏合好的磁環(huán)并排固定，用聚酯薄膜膠帶纏繞，用同軸線沿2組磁環(huán)的公共內(nèi)壁緊密繞制3圈，形成1個(gè)變壓器。

根據(jù)式（3），計(jì)算得到輸入變壓器的電感值，其中Ae為磁路面積，Le為磁路長(zhǎng)度：

（3）

依據(jù)式（4），計(jì)算輸入變壓器最低工作頻率（3MHz）時(shí)的感抗XL：

（4）

由此可見，輸入變壓器低頻端的感抗324 Ω遠(yuǎn)大于變壓器的輸入阻抗（50Ω）的3倍以上，保證了低頻響應(yīng)良好。

依據(jù)式（5）計(jì)算輸入變壓器磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bmax值（其中Ae為磁路面積，fmin為最低工作頻率）：

（5）

通常取磁芯的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為100GS，以上所設(shè)計(jì)的輸入變壓器，其最大磁感應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于100GS。

4.輸出變壓器計(jì)算

輸出變壓器選擇磁導(dǎo)率值為80的磁環(huán)繞制，考慮整個(gè)合成變壓器平面安裝尺寸要求，磁環(huán)尺寸選用為68mm×38mm×20mm，單個(gè)磁環(huán)的功率容量無(wú)法滿足變壓器的功率要求，為獲得足夠的功率容量，需增大磁路面積，通過(guò)疊加磁環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)，共用4個(gè)磁環(huán)，把2個(gè)磁環(huán)對(duì)齊黏合成1組，把2組黏合好的磁環(huán)并排固定，用聚酯薄膜膠帶纏繞，用同軸線緊密繞制3圈，首尾相連，外層饋線再繞1圈，匝數(shù)比為3：7，阻抗變比為9：49，從而實(shí)現(xiàn)由低阻抗到高阻抗的變換，滿足發(fā)信機(jī)輸出阻抗為50Ω的指標(biāo)要求。

依據(jù)式（6），得到輸出變壓器的電感值（其中Ae為磁路面積，Le為磁路長(zhǎng)度）：

（6）

依據(jù)式（7），計(jì)算輸出變壓器最低工作頻率（3MHz）時(shí)的感抗XL：

（7）

由此可見，輸出變壓器低頻端的感抗遠(yuǎn)大于變壓器輸出阻抗的3倍以上，保證了低頻響應(yīng)良好。

依據(jù)式（8）計(jì)算輸出變壓器磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bmax（其中Ae為磁路面積，fmin為最低工作頻率）：

（8）

通常取磁芯的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為100GS，以上設(shè)計(jì)的輸出變壓器其最大磁感應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于100GS。

事實(shí)上，輸入變壓器和輸出變壓器在設(shè)計(jì)上均預(yù)留有很大的功率余量，可滿足更高功率的輸出需求。

5.PCB印制板設(shè)計(jì)

為保證6路射頻信號(hào)的一致性，在進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到6個(gè)輸入變壓器工作時(shí)要求其電路參數(shù)保持一致，選用對(duì)稱設(shè)計(jì)，均勻地排布在印制板上直徑相同的一個(gè)圓周上，這樣輸入變壓器的輸入線和輸出線的長(zhǎng)度一致，其對(duì)應(yīng)電參數(shù)一致，減少分布參數(shù)的影響。同時(shí)繪制印制板表面銅箔時(shí)，還要考慮承載電流、趨膚效應(yīng)。在工作頻率范圍內(nèi)，最低工作頻率3MHz時(shí)的趨膚深度最大，而最高工作頻率40MHz的趨膚深度最小，趨膚深度越小相同承載面積承載的電流越小，因此以最高工作頻率40MHz工作時(shí)計(jì)算印制板表面銅箔面積，帶狀線的最佳厚度為2ε，通過(guò)計(jì)算取印制線的銅箔厚度為2oz（70μm）[3]。

因?qū)拵Оl(fā)射機(jī)小型化設(shè)計(jì)的需求，合成變壓器的機(jī)箱高度、寬度受限，輸入變壓器組和平衡電阻無(wú)法布置在同一印制板上，需分別單獨(dú)布板，考慮到6個(gè)輸出變壓器布置完成后電壓分布參數(shù)要一致，采用上下層層疊、對(duì)應(yīng)均勻排布的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，板與板之間的電氣互聯(lián)采用銅片連接。

考慮到輸出變壓器位置與輸入變壓器之間有一定的距離，會(huì)引入較大分布參數(shù)，為減小分布參數(shù)，將輸入變壓器合成端口與輸出變壓器輸入端口的互聯(lián)采用印制板布線連接，取代傳統(tǒng)的銅帶或同軸線直連，印制板布線應(yīng)注意系統(tǒng)對(duì)特性阻抗的需求，其特性阻抗應(yīng)盡量接近輸入變壓器輸出端口的阻抗，利用ADS中的“LineCalc”工具設(shè)計(jì)仿真，PCB介質(zhì)材料選取常用的FR4覆銅板，其相對(duì)介電常數(shù)取4.5，其中印制線的物理寬度取值為35mm，滿足中間級(jí)低阻抗，承載較大電流的需求。由于理論與實(shí)際均存在差異，設(shè)計(jì)的阻抗值與實(shí)際測(cè)試會(huì)有所不同，在調(diào)試過(guò)程中可適當(dāng)增加中間級(jí)的對(duì)地補(bǔ)償電容，反復(fù)測(cè)試和調(diào)整，使兩個(gè)端口的阻抗盡量匹配。

三、熱設(shè)計(jì)

合成器在工作時(shí)由于功率較大會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，同時(shí)其布置密集，散熱空間有限，熱能無(wú)法有效散出，影響合成器工作，甚至燒毀變壓器，因此必須進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。

根據(jù)整機(jī)布局功率合成器要安裝到標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜上，考慮電磁兼容、維護(hù)維修等因素，需要將合成器布局到屏蔽插箱里，考慮其散熱條件和方式，依據(jù)發(fā)信機(jī)給出的冷卻要求，功率合成器采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式，考慮整個(gè)發(fā)信機(jī)安裝空間、維護(hù)方式，發(fā)信機(jī)的后面安裝空間小，無(wú)法布置風(fēng)機(jī)，因此合成器插箱采用前進(jìn)風(fēng)后出風(fēng)的通風(fēng)方式，合成器插箱前面板處安裝有風(fēng)機(jī)。

輸入變壓器與輸出變壓器分散排布，大功率平衡電阻安裝在散熱器上，分布均勻，便于散熱。因功率合成單元體積較小，空間十分局促，散熱器的尺寸受到嚴(yán)格限制，在設(shè)計(jì)時(shí)利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，模擬合成器散熱需求最大時(shí)即在模擬一路功放射頻信號(hào)缺失的情況下，平衡電阻吸收功率的散熱狀況，強(qiáng)迫風(fēng)冷給定時(shí)，合成器溫度達(dá)到平衡后，其最高溫度遠(yuǎn)低于平衡電阻技術(shù)規(guī)格中的最高溫度，滿足變壓器散熱要求。

風(fēng)機(jī)選擇具有PWM控制功能，從連接器端口引入PWM控制線，與發(fā)信機(jī)功放溫度采樣實(shí)現(xiàn)連鎖設(shè)計(jì)，通過(guò)改變控制端子與地之間的輸入測(cè)速信號(hào)的占空比，從外部控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。在待機(jī)狀態(tài)下，功率合成器內(nèi)元器件無(wú)熱量產(chǎn)生，風(fēng)機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，合成器工作時(shí)，根據(jù)功放溫度采樣控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整給出的風(fēng)量，在保證散熱效率的同時(shí)，降低電力消耗以及裝置的低噪音效果。

四、生產(chǎn)與調(diào)試

功率合成器在生產(chǎn)過(guò)程中，采購(gòu)磁環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸要進(jìn)行控制，使相同磁環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸一致，以保證變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)和裝配一致；對(duì)磁導(dǎo)率值進(jìn)行篩選，相同磁環(huán)磁導(dǎo)率盡量一致，以使繞制后的變壓器電感參數(shù)基本一致；在繞制輸入和輸出變壓器時(shí)要嚴(yán)格按繞制工藝進(jìn)行，同軸線應(yīng)貼合磁環(huán)組內(nèi)壁均勻緊密繞制，尤其是6個(gè)輸入變壓器繞制同軸線線長(zhǎng)、繞制半徑、焊接尺寸要高度一致，以保證各輸入變壓器間的一致性。各部分的工藝連接也要考慮能承受高電壓和大電流，高壓處留有合適的耐壓空間，大電流處適當(dāng)敷設(shè)銅箔和選擇合適的導(dǎo)線直徑，滿足承壓和載流的需求。

由于功率合成變壓器體積大，且受到裝配空間限制布局分散，各部分功能電路之間很難達(dá)到全部就近互聯(lián)，因此信號(hào)在傳輸過(guò)程中，會(huì)引入一定的分布參數(shù)。功率合成器在調(diào)試過(guò)程中，主要解決的問(wèn)題是，盡量消除分布參數(shù)對(duì)頻率響應(yīng)的影響。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀，觀測(cè)輸入端口、輸出端口及各端口之間的S參數(shù)及阻抗特性，可在輸入變壓器及輸出變壓器的輸出端口增加補(bǔ)償線電感或電容，修正理論與實(shí)際的偏差，減小分布參數(shù)的影響，達(dá)到最佳阻抗匹配。

合成器調(diào)試包括靜態(tài)測(cè)試和上電調(diào)試，靜態(tài)測(cè)試主要是使用網(wǎng)絡(luò)分析儀調(diào)整輸入端口、輸出端口及各端口之間的S參數(shù)及阻抗特性，使其達(dá)到阻抗匹配；上電調(diào)試是指功率合成器接入寬帶短波發(fā)信機(jī)中性能功能測(cè)試，包括全頻段上電、功率容量測(cè)試、連續(xù)工作測(cè)試、插入損耗測(cè)試，通過(guò)不斷調(diào)整、測(cè)試及長(zhǎng)時(shí)間滿功率負(fù)荷，功率合成器的傳輸損耗、帶寬和功率容量等指標(biāo)及散熱能力均滿足發(fā)信機(jī)使用要求，能夠確保發(fā)信機(jī)長(zhǎng)時(shí)間可靠工作。

五、結(jié)束語(yǔ)

研制大功率合成器對(duì)于短波發(fā)信具有非常重要的意義，本論文研制的功率合成器具有多路、功率大、頻帶寬、體積小、可靠性高等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)滿足使用要求。此外，通過(guò)適當(dāng)改變?cè)骷碾姎鈪?shù)和組成數(shù)量，輔助以參數(shù)仿真設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)更高功率等級(jí)的功率合成。

作者單位：王磊 海軍裝備部駐北京地區(qū)第八軍事

代表室

參 ?考 ?文 ?獻(xiàn)

[1]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）[M].高等教育出版社，2001.

[2]張紀(jì)鋼.射頻鐵氧體寬帶器件[M].科學(xué)出版社，1986.

[3]鄧建國(guó)，張相臣，談文心.高頻電子線路[M].西安交通大學(xué)出版社，1996.