功率放大器性能受匹配電路諧波特性的影響

袁正昊　于春永

摘? 要：匹配電路設(shè)計(jì)與功率放大器使用質(zhì)量有密切關(guān)聯(lián)，是功率放大器應(yīng)用關(guān)注重點(diǎn)因素。由于匹配電路諧波特性會(huì)對(duì)功率放大器性能產(chǎn)生一定影響，因此為保證放大器應(yīng)用質(zhì)量，需要做好影響分析與管控。通過對(duì)功率放大器基本情況的介紹，對(duì)匹配電路諧波特性對(duì)功率放大器性能的影響展開深層次論述，旨在做好匹配電路諧波影響控制，實(shí)現(xiàn)理想化功率放大器應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：匹配電路;諧波特性;匹配設(shè)計(jì);功率放大器性能

中圖分類號(hào)：TN722 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）06-0063-02

Abstract： The design of matching circuit is closely related to the quality of power amplifier， which is the key factor in the application of power amplifier. As the harmonic characteristics of the matching circuit will have a certain impact on the performance of the power amplifier， in order to ensure the application quality of the amplifier， it is necessary to do a good job of impact analysis and control. Through the introduction of the basic situation of the power amplifier， this paper deeply discusses the influence of the harmonic characteristics of the matching circuit on the performance of the power amplifier， in order to control the harmonic influence of the matching circuit and realize the idealized application effect of the power amplifier.

Keywords： matching circuit; harmonic characteristics; matching design; performance of power amplifier

實(shí)施高水平匹配電路設(shè)計(jì)，是保證功率最大功率傳輸質(zhì)量的關(guān)鍵。在具體展開匹配電路設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員不僅要做好匹配因素分析，同時(shí)還要將諧波特性對(duì)于放大器性能的影響考慮到其中，應(yīng)通過合理分析展開影響控制方案編制，以將諧波特性影響控制在最低，保證功率放大器使用性能。為保證影響分析全面性、科學(xué)性，在正式展開影響研究前，需要先對(duì)功率放大器基本情況展開分析，以為后續(xù)研究做好鋪墊。

1 功率放大器

1.1 定義與組成

（1）定義：功率放大器是指在給定失真率環(huán)境中，產(chǎn)生最大功率輸出對(duì)某一負(fù)載實(shí)施驅(qū)動(dòng)的放大器[1]。是電路設(shè)計(jì)中的重要組成器件，會(huì)對(duì)電路正常使用以及使用性能提升產(chǎn)生直接影響。（2）組成：一般功率放大器主要由末級(jí)功率放大器、前置放大器以及驅(qū)動(dòng)放大器三部分內(nèi)容所組成。其中前置放大器輸入阻抗相對(duì)較高，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)前面信號(hào)的大規(guī)模吸收，完成低阻抗輸出，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的高質(zhì)量傳輸，自身屬于電流放大器設(shè)備，能夠?qū)⑤斎腚妷盒盘?hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，并對(duì)其展開適當(dāng)放大處理;驅(qū)動(dòng)放大器可實(shí)現(xiàn)對(duì)前置放大器傳輸電流信號(hào)的進(jìn)一步放大，可將信號(hào)處理成為中等功率信號(hào)，對(duì)末級(jí)功率放大器實(shí)施驅(qū)動(dòng)，保證末級(jí)功率放大器信號(hào)傳輸質(zhì)量;而末級(jí)功率放大器是放大器應(yīng)用關(guān)鍵部分，可完成對(duì)接收信號(hào)的合理處理，將其轉(zhuǎn)化為大功率信號(hào)，是影響功率放大器技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵要素[2]。

1.2 工作原理

在對(duì)公路放大器實(shí)施應(yīng)用過程中，會(huì)通過對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管電壓控制作用或三極管電流控制作用的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源功率的轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)化為根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行變化的電流。就聲音本質(zhì)而言，聲音的波的頻率與振幅并不相同，屬于交流信號(hào)電流，三極管集電極電流一直是基極電流β倍，而β代表三級(jí)管交流放大倍數(shù)數(shù)值，所以將小信號(hào)輸入到基極之中，集電極流過電流便會(huì)相當(dāng)于是基極電流β倍，此時(shí)運(yùn)用隔直電容對(duì)此信號(hào)實(shí)施隔離，便可獲得是原先β倍的電壓或電流大信號(hào)，此現(xiàn)象被稱之為是三極管放大作用。電流的持續(xù)性放大，實(shí)現(xiàn)了功率放大的目標(biāo)。

2 諧波特性的影響

2.1 影響分析必要性

匹配電路設(shè)計(jì)對(duì)功率放大器（以下簡(jiǎn)稱放大器）影響極為明顯，匹配電路反射系數(shù)的差異，會(huì)使放大器功率附加效率、輸出功率以及駐波等產(chǎn)生較大差異。匹配電路基波反射系數(shù)會(huì)對(duì)放大器性能產(chǎn)生一定影響，且電路諧波反射系數(shù)的變化，也會(huì)直接造成電路性能出現(xiàn)波動(dòng)，特別在飽和輸出功率附加效率與飽和輸出功率上影響最為明顯[3]。傳統(tǒng)放大器設(shè)計(jì)主要以優(yōu)化方式為主，此種設(shè)計(jì)方式對(duì)于諧波對(duì)放大器性能的影響并沒有給出定量分析結(jié)果，單一使用此種設(shè)計(jì)方式實(shí)施放大器設(shè)計(jì)，可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)果不理想的狀況。鑒于此，做好諧波特性影響分析顯得尤為必要。

2.2 影響具體分析

2.2.1 整體分析思路

在此將通過對(duì)阻抗?fàn)恳ǖ倪\(yùn)用，對(duì)匹配電路基波特性影響展開分析，并會(huì)展開諧波特性對(duì)放大器性能影響研究，獲得定量分析結(jié)果，展開設(shè)計(jì)實(shí)例探討。本次設(shè)計(jì)運(yùn)用FET為4.8mm片狀場(chǎng)效應(yīng)晶體管，主要是針對(duì)900MHz以下低壓高效功率放大器設(shè)備。在對(duì)阻抗?fàn)恳▽?shí)施應(yīng)用過程中，會(huì)通過對(duì)整體阻抗圓圖平面內(nèi)電路性能的分析，明確最優(yōu)性能匹配電路所具備的各項(xiàng)特性，從而獲得最佳電路設(shè)計(jì)方案。此種分析手段可實(shí)現(xiàn)對(duì)匹配電路諧波頻率的高質(zhì)量分析，能夠獲得諧波特性對(duì)于電路性能影響定量分析結(jié)果，會(huì)為放大器設(shè)計(jì)與運(yùn)用提供可靠數(shù)據(jù)支持。

2.2.2 分析過程

為保證分析質(zhì)量，本次會(huì)運(yùn)用專業(yè)軟件對(duì)電路展開阻抗?fàn)恳治?。通過對(duì)軟件的運(yùn)用，可在實(shí)現(xiàn)對(duì)電路實(shí)施基波頻率負(fù)載牽引的同時(shí)，在多種諧波頻率上展開負(fù)載牽引操作。（1）基波頻率源阻抗?fàn)恳c負(fù)載牽引。設(shè)放大器是一級(jí)設(shè)備，運(yùn)用4.8mm片狀場(chǎng)效應(yīng)晶體管，將漏偏置設(shè)為3V、柵偏置設(shè)為-1.5V，電感反饋為源接0.8nH。為保證效率附加效率以及功率增益，對(duì)電路輸入功率18dBm，并在此環(huán)境中實(shí)施源阻抗?fàn)恳?、基波頻率負(fù)載牽引。通過對(duì)功率附加效率與功率增益的折中考量，確定本次選用負(fù)載阻抗為0.6∠180°，源阻抗0.5∠90°。（2）對(duì)諧波頻率實(shí)施阻抗?fàn)恳?。在?duì)諧波頻率實(shí)施阻抗?fàn)恳^程中，會(huì)將基波頻率中的負(fù)載阻抗與源阻抗分別設(shè)置為0.6∠180°、0.5∠90°。在完成阻抗設(shè)置后，便可展開電路圖繪制。通過對(duì)電路圖的分析可以發(fā)現(xiàn)，短路線以及開路線的運(yùn)用，主要可以起到諧波頻率與基波頻率的源阻抗、負(fù)載阻抗不會(huì)相互干擾的作用。在經(jīng)過牽引處理后，輸入功率仍然保持為18dBm，沒有發(fā)生變動(dòng)。由此可知，匹配電路諧波頻率阻抗數(shù)值與電路功率附加效率、增益有密切關(guān)聯(lián)，不同阻抗值會(huì)對(duì)兩者產(chǎn)生極大影響;但在小信號(hào)環(huán)境中實(shí)施源阻抗以及負(fù)載牽引，匹配電路諧波頻率阻抗值對(duì)于小信號(hào)效益的影響并不明顯，可以忽略不計(jì)，并不能將放大器功率運(yùn)用真實(shí)情況直觀反映出來(lái)。（3）出于對(duì)最大功率附加效率的考慮，設(shè)負(fù)載阻抗以及源阻抗分別為0.99∠-130°、0.99∠-150°，在此會(huì)將阻抗幅值調(diào)整到最大。通過對(duì)電路功率特性的分析發(fā)現(xiàn)，理想電路最大功率附加效率為58%，飽和輸出功率為29dBm。

3 電路實(shí)現(xiàn)

在得到諧波、基波的源阻抗以及負(fù)載數(shù)值之后，便可展開匹配電路設(shè)計(jì)。電路結(jié)構(gòu)為低通結(jié)構(gòu)模式，通過對(duì)電路功率特性的分析可以發(fā)現(xiàn)，電路最大功率附加效率為58%，飽和輸出功率數(shù)值29dBm，和理想電路數(shù)值結(jié)果相符合。同時(shí)，電路輸入輸出駐波比保持在1.8以下。電路諧波阻抗對(duì)于功率放大器的性能影響相對(duì)較大，尤其會(huì)對(duì)放大器在非線性狀態(tài)時(shí)的工作性能產(chǎn)生極大影響。如果放大器處于小信號(hào)工作狀態(tài)時(shí)，電路諧波阻抗對(duì)放大器性能所形成的影響則會(huì)保持在微乎其微的狀態(tài)。鑒于此，可通過對(duì)匹配線路基波、諧波阻抗實(shí)施科學(xué)設(shè)計(jì)的方式，保證電路駐波比、功率輸出性能以及功率附加效率，進(jìn)而為放大器高質(zhì)量運(yùn)用創(chuàng)造出更多有利條件。

4 功率放大器的匹配設(shè)計(jì)

由于放大器應(yīng)用和其匹配設(shè)計(jì)有密切關(guān)聯(lián)，所以在展開匹配電路設(shè)計(jì)研究的同時(shí)，還要做好匹配設(shè)計(jì)詳細(xì)分析，以求通過科學(xué)設(shè)計(jì)，達(dá)到理想化功率放大器應(yīng)用模式。放大器匹配設(shè)計(jì)主要分為四部分內(nèi)容，具體內(nèi)容如下：（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)輸出功率要求在53 dbm以上，輸出信號(hào)在3 db左右，按照要求放大器整體爭(zhēng)議需要保持在50 db以上。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要將最小衰減損耗考慮到其中，要保證在出現(xiàn)損耗之后，放大器各項(xiàng)性能仍然可以滿足設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)。在此選擇三級(jí)放大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式，分別展開末級(jí)、前置以及驅(qū)動(dòng)放大器設(shè)置，信號(hào)在經(jīng)過三級(jí)電路放大處理之后，會(huì)經(jīng)過輸出端的禍合器后輸出。禍合信號(hào)在經(jīng)過檢波以及衰減處理之后，會(huì)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，會(huì)在經(jīng)過處理后和溫度取樣信號(hào)一起，被輸入到控制芯片之中，進(jìn)而得到控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)放大器輸出行為的控制。在進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)放大器輸出功率以及工作效率展開充分分析，要在進(jìn)行第一極放大器設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)高線性度以及高增益展開合理分析，而在進(jìn)行第二級(jí)放大器功能設(shè)計(jì)時(shí)，需要通過獲取信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率，達(dá)到末級(jí)芯片輸入要求。（2）功放器件選擇?？茖W(xué)的器件選擇，可在有效降低設(shè)計(jì)難度以及成本投入的同時(shí)，保證設(shè)計(jì)周期合理性，會(huì)對(duì)匹配設(shè)計(jì)以及放大器應(yīng)用產(chǎn)生積極影響。在明確總體目標(biāo)之后，需要對(duì)各級(jí)子電路參數(shù)指標(biāo)展開設(shè)置，并展開功率晶體管選擇。在進(jìn)行功放器件選擇時(shí)，要保證電氣指標(biāo)富余量，滿足外圍電路以及功放晶體管所產(chǎn)生的消耗。所選功放晶體管工作頻率要與相應(yīng)應(yīng)用要求相符，要保證晶體管電流容量、駐波承受能力以及容易匹配度，并要保證器件功率增益水平，以便通過對(duì)大功率增益器件的運(yùn)用，達(dá)到提高效率以及降低成本的目標(biāo)。（3）放大器仿真。由于考慮到匹配電路損耗以及壓控衰減器最小衰減，可通過實(shí)施放大器整體增益仿真的方式，獲得直觀結(jié)果，以便展開后續(xù)設(shè)計(jì)。在進(jìn)行仿真過程中，設(shè)定放大器功率增益處于最差狀況，壓控衰減器保持在最小衰減狀態(tài)，在此條件下如果出現(xiàn)輸出駐波惡化的狀況，可通過對(duì)衰減器的調(diào)節(jié)完成功率輸出控制任務(wù)，進(jìn)而為后續(xù)電路提供保護(hù)。在明確器件以及設(shè)計(jì)指標(biāo)后，便可展開放大器特性仿真設(shè)計(jì)操作，完成器件模型建設(shè)，并將其導(dǎo)入到ADS模型庫(kù)之中。同時(shí)需要按照功放設(shè)計(jì)要求以及相關(guān)說明，展開放大器靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置。（4）壓控衰減器設(shè)計(jì)。在此將以丌二型衰減器為依據(jù)，展開寬帶壓控衰減器設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)所用二極管主要包括兩個(gè)負(fù)極相連低失真二極管，二極管不僅截至頻率較低且線性度較為理想。在寄生電感影響下，壓控衰減器上限功率在3GHz左右，衰減電路運(yùn)用二極管替代R3，可實(shí)現(xiàn)對(duì)偏置網(wǎng)絡(luò)的有效簡(jiǎn)化，保證最大衰減數(shù)值提升質(zhì)量，可切實(shí)消除信號(hào)內(nèi)偶次諧波失真問題，滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)較為理想。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過本文對(duì)功率放大器以及放大器匹配電路相關(guān)內(nèi)容的闡述，使我們對(duì)功率放大器以及匹配電路諧波特性對(duì)放大器的影響有了更加清晰的認(rèn)知。研究人員應(yīng)明確認(rèn)識(shí)到功率放大器在電路設(shè)計(jì)中所起到的重要作用，要在明確放大器基本情況的基礎(chǔ)上，對(duì)諧波特性影響展開深層次分析，并按照分析結(jié)果展開匹配設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)理想化放大器匹配設(shè)計(jì)目標(biāo)，確保功率放大器所具備各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)可以在電路設(shè)計(jì)中得到最大限度發(fā)揮，從而達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

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