广播发射机功率合成技术中的电压与电流分析

田永军 刘赫

1.2.内蒙古自治区广播电视传输发射中心610台 内蒙古 呼和浩特市 010000

1 功率合成的工作原理

以正泰10kW中波发射机为例，42个大台阶功放和6个二进制小台阶功放的输出端，通过一个初级为18匝的磁环线圈套在次级功率合成铜棒上，而次级合成铜棒等效为48个1匝的次级线圈串联，在调制编码输出负、正电压控制下进行48个功放的开启和关闭。使每个功放输出的载频基波电压在次级铜棒上串联叠加，同时功率也进行相应增大。

每个大台阶功放输出变压器初级基波电压由桥式功放输出的载波方波分解为有效值（E是功放的供电电压230V）折合到匝比18∶1次级铜棒上的电压11.5V（），次级铜棒合成器最上端的阻抗为4Ω左右。当1个大台阶功放导通时，功放输出变压器次级电压为11.5V，输出功率为33W；当打开2个大台阶功放时，输出功率为132W。当打开n个大台阶功放时，在次级合成器上叠加的基波电压为（11.5V×n），输出功率为〔（11.5V×n）2/4Ω〕W。（n＝1、2、3…42）。

每个二进制小台阶的功放输出电压分别为大台阶功放基波电压的1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64，当二进制台阶功放在1E/2工作时，叠加1/2×11.5V基波电压，若6个二进制台阶功放全在工作时，叠加的二进制台阶电压为63/64×11.5V，近似又打开一个大台阶功放。

当任何一个二进制台阶功放工作时，在次级铜棒上就叠加这个二进制台阶功放的基波电压，这时打开的大、小台阶功放的电压就在功率合成器（次级铜棒）叠加相应的基波电压，总U基波电压的平方除以次级负载（4Ω）就是发射机输出的合成功率。P合成输出＝（U总基波）2/4Ω。

2 功率合成中电压、电流的计算

2.1 功放输出电压

当功放模块全桥工作时，两斜对角场效应管轮流饱和导通，在A、B半桥供电电压E的作用下，功放输出在线圈两端产生载频方波电压，载频方波电压分解的基波电压有效值为当功放电压（E）为230V时，功放输出在初级线圈上基波电压的有效值为207V次级上的电压有效值是11.5V说明每个大台阶功放叠加到功率合成器铜棒上的电压有效值是11.5V，

功率合成简图

当功率合成器的负载阻抗调整为4Ω，18个大台阶功放模块导通时，发射机在次级铜棒上合成的载频功率为10.7kW。

所以当功率合成器上功率为10.7kW时，是可以忽略功放和功率合成器的损耗，实际上是略大于10kW。不同的发射频率损耗不一样，经带通滤波器输出的载波功率是10kW。

每个打开功放的输出电阻为72Ω。

即每个大台阶功放输出功率为595W。

若每个导通的大台阶功放在次级功率合成器上叠加的载频基波电压有效值为11.5V，则二进制小台阶功放叠加的载频基波电压有效值分别为1/2×11.5V、1/4×11.5V、1/8×11.5V、1/16×11.5V、1/32×11.5V、1/64×11.5V。二进制台阶功放的输出电压大小可通过降低功放供电电压或增加功放输出变压器初级线圈的圈数来调节。二进制台阶功放的供电电压越低，初级线圈圈数越多，输出的电压越小，最终合成的功率越小。

2.2 功放输出电流

当打开18个大台阶功放导通时，发射机输出约10kW的载频功率，每个大台阶功放输出的载频基波电流有效值为：

I初＝ /R每个=207V/72Ω＝2.87（A）

由于18个大台阶功放次级是串联输出的，它等效到初级也是串联状态，所以每个打开大台阶功放的初级电流为总电流输出，等效到次级功率合成器（铜棒）上的电流为：

I次=I初×18=2.87A×18=51.7（A）

此时，大台阶功放输出变压器的初、次级匝比为18∶1，打开功放的初级电流乘18，就是功率合成器的次级电流。所以这个51.7A的电流就是功率合成器输出在10kW载频功率时基波电流有效值。

2.3 功放在不同状态下输出的电压、电流和功率

大台阶功放工作时，功放输出变压器初级的载频方波电压根据傅里叶级数分解的载频基波峰峰值电压是1.27E（4E/π），有效值电压U0为207每个功放叠加到次级功率合成器的载频基波电压有效值为11.5V每打开1个大台阶功放，就在次级上叠加11.5V基波电压。导通的功放个数越多，在次级上叠加的电压越高。

2.3.1 当发射机有1个大台阶功放导通时

叠加到次级的电压：U次=11.5V次级电流有效值I次=2.875（A）

大台阶功放初级导通的基波电流有效值I初为：

I初=I次/k=2.875/18＝0.159（A）（k：为初级匝数）

输出功率：P载=U次×I次=11.5×2.875=33（W）

2.3.2 当打开18个大台阶功放时

叠加到次级的电压：U次=11.5V×18＝207（V）

次级电流有效值：

I次=U次/RL=207V/4Ω=51.7（A）

转换到初级载频电流有效值I初为：

I初=I次/k=51.7A/18＝2.87（A）（k：为初级匝数）

输 出功率：P载=U次×I次=207V×51.7A=10.7（kW）

2.3.3 当打开全部大台阶和小台阶（42+63/64全部打开）时

次级叠加电压最大为：U次max=

次级峰值电流为：I次max=U次max/RL=495/4=124（A）

输出峰值功率：Pmax=U次max×I次max=495V×124A=61（kW）

转换到每个大台阶功放初级的峰值电流为I初max=I次max/k=6.89（A）最大功率输出时，单个功放输出功率为P每块max=Pmax/42.98=1419（W）

从以上计算可以看出：每个大台阶功放工作时的输出电流I和功率P随着打开功放的多少而变化，当打开42.98块个大台阶功放（输出最大功）时，每个大台阶功放输出功率1419W，每个打开大台阶功放的初级电流为6.89A，次级电流为124A。当打开1个大台阶功放时，输出功率仅为33W，初级电流仅为0.159A，次级电流为2.875A它们的差别十分巨大。功放输出为串联叠加，各大、小台阶功放的初级和次级电流均随着功放开通个数的增加而增大，但打开功放后，各大台阶功放的初级电流、电压都一样大，在次级功率合成器上进行电压和功率叠加，每个打开功放的次级阻抗在功率合成器上也叠加。关断功放的输出电压和电流为零，由于关断功放初级线圈的低阻通路，使关断功放的次级线圈阻抗为零，不影响打开功放的电压叠加和电流通路，使功率合成不受影响。

结束语

通过对大台阶、小台阶功放电压、电流及功率的实例分析和推算，从工作原理看是由多个功放的输出端经高频合成变压器，在次级输出一个相串联的叠加电压，它的大小决定功放开启的多少，而每个功放工作时输出电流I和功率P也随着打开功放的多少而增加变化，功放开通越多，叠加电压越大，输出的电流、功率越大。可以看出，功放开通的数量增加，对应电流、电压和功率都随之增加。