怎樣利用實(shí)用的方法構(gòu)建C類功率放大器

寬帶C類功率放大器(PA)在某些通信頻帶中是有用的。雖然現(xiàn)已被集成進(jìn)Agilent-EEsof的先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(ADS)仿真軟件中，Touchstone曾一度是用于開發(fā)和優(yōu)化這種功率放大器阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)有力工具。隨后的是一種展示如何為選定RF晶體管提取優(yōu)化輸入和輸出大信號(hào)阻抗、用單端口網(wǎng)絡(luò)建模其行為然后在整個(gè)要求頻帶內(nèi)開發(fā)工作于50歐姆系統(tǒng)阻抗網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法。為確認(rèn)該方法的有效性，設(shè)計(jì)了一個(gè)從225到 400 MHz間功率增益是10dB的10W功率放大器。

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設(shè)計(jì)寬帶微波PA是一項(xiàng)充滿挑戰(zhàn)性工作。RF功率器件參數(shù)隨信號(hào)電平及頻率的改變而變化，這使得獲得優(yōu)化的阻抗匹配很困難。可使用多種技術(shù)以表征功率器件行為。表征得越完整完善，所用的模型通常就越復(fù)雜。

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大信號(hào)充電控制晶體管模型和改進(jìn)的Ebers-Moll模型是早期使用的為RF功率晶體管建模的模型。在一個(gè)近似的PA設(shè)計(jì)中，還應(yīng)用了大信號(hào)S參數(shù)。但因測(cè)量這些大信號(hào)S參數(shù)很困難，該技術(shù)用處有限。采用數(shù)值分析的計(jì)算機(jī)模擬也被用于預(yù)測(cè)C類功率放大器的行為。雖然該方法能得出精確結(jié)果，但采用該方法設(shè)計(jì)C類功率放大器是個(gè)冗長(zhǎng)而晦澀的過(guò)程。幸運(yùn)地是，在1970年代中期發(fā)展起來(lái)的諧波均衡設(shè)計(jì)方法極大簡(jiǎn)化了非線性電路和大信號(hào)功率放大器的設(shè)計(jì)。該技術(shù)的一個(gè)基本限制是其復(fù)雜性及解決電路問(wèn)題所需的需用專業(yè)數(shù)學(xué)方法完成的大量數(shù)?運(yùn)算。

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源于RF功率晶體管的非線性特征，一個(gè)完整的雙端口器件模型并非設(shè)計(jì)輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的上佳選擇。在本文中，采用的是單端口阻抗模型以表征優(yōu)化負(fù)載及該功率器件的源終止。在RF器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中，一般在RF功率晶體管工作頻段內(nèi)的幾個(gè)頻點(diǎn)上給出優(yōu)化負(fù)載和大信號(hào)源阻抗8。RF器件的有效輸入和輸出阻抗可被表述為這些優(yōu)化終止的共軛變化。

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可借助負(fù)載牽引(load-pull)調(diào)諧器通過(guò)測(cè)量該器件在整個(gè)相關(guān)頻帶內(nèi)的優(yōu)化負(fù)載和源阻抗對(duì)RF功率晶體管特性進(jìn)行表征。如圖1所示，它要求一個(gè)單端口表述以預(yù)測(cè)這些阻抗從低頻帶端(F_L)到高頻帶端(f_H)間的復(fù)雜共軛變化。在此例中，Z_out = Z*_OL ，Z_in = Z*s；其中，Z_OL是優(yōu)化負(fù)載阻抗，Zs是源負(fù)載阻抗。圖2表示了該建模后的阻抗網(wǎng)絡(luò)的兩種可能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。全部損耗集中于一個(gè)電阻，該電阻終止了一個(gè)電感-電容(LC)兩端口網(wǎng)絡(luò)。

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可利用一個(gè)解析綜合程式來(lái)實(shí)現(xiàn)能與在高低頻兩端測(cè)試到的阻抗數(shù)據(jù)相匹適的單端口網(wǎng)絡(luò)。但可通過(guò)如下方法代替此冗乏枯澀的工作——可利用類似Touchstone(現(xiàn)ADS)等模擬軟件以優(yōu)化建模網(wǎng)絡(luò)的電路元素以預(yù)測(cè)相關(guān)全頻帶范圍內(nèi)的性能。

若晶體管在一個(gè)寬的頻率范圍內(nèi)以共軛方式匹配，則隨著頻率的增加，可獲得的最大增益將以6dB/倍頻的負(fù)斜率滾降。用于補(bǔ)償晶體管的功率增益隨頻率變異的技術(shù)之一是有選擇地反射功率增益相對(duì)較高的頻帶低端的一些功率。但該技術(shù)導(dǎo)致的受控失匹畢竟會(huì)削弱低頻帶輸入的電壓駐波比(VSWR)。RF晶體管的近似功率增益由下式給出：

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其中：f_max=最大振蕩頻率；γ=一個(gè)與增益變化相關(guān)的常數(shù)，由下式表示：

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其中：x =以dB/倍頻表示的斜率。由輸入反射引起的匹配網(wǎng)絡(luò)發(fā)射損耗由下式給出：

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其中：Γ_in=輸入端的反射系數(shù)。

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為得到一款在整個(gè)相關(guān)頻帶具有常數(shù)Gα的產(chǎn)品，

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其中：G_H =高頻帶側(cè)f_H的增益。

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利用Touchstone的優(yōu)化能力，可根據(jù)模型方程3設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。

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推薦的寬帶C類 PA計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法可被歸納為如下的系統(tǒng)步驟：

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1． 為得到所需的輸出功率、增益和電源電壓，從器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中在要求的頻帶內(nèi)選用大信號(hào)輸入和輸出阻抗(Z_in和Z*_OL)。

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2． 利用數(shù)值內(nèi)插和外推技術(shù)擴(kuò)展阻抗數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)。當(dāng)確定器件在頻率f_L、f_o和f_H的終端阻抗時(shí)，這是一項(xiàng)有用技術(shù)。

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3．選用合適的單端口網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓谡麄€(gè)頻段為上述終端阻抗建模，并用Touchstone優(yōu)化其要素值。

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4．在設(shè)計(jì)好建模電路后，分別在建模電路和源及50歐姆負(fù)載終端間插入輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)一個(gè)大致的圖形設(shè)計(jì)程式，可對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)的元素進(jìn)行初始估值。

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5．對(duì)輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)施優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)期望的輸入和輸出匹配。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成可實(shí)現(xiàn)共軛匹配并能在整個(gè)頻帶為晶體管輸出提供阻抗Z_OL。另一方面，輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成能在f_L 到 f_H間得到平坦的增益。通過(guò)選擇性地在較低頻率實(shí)施誤配，可達(dá)到上述結(jié)果。將不同采樣頻率帶入方程3可對(duì)輸入反射系數(shù)進(jìn)行估算并將其存儲(chǔ)在外部數(shù)據(jù)文件中。然后對(duì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化以在整個(gè)頻帶對(duì)計(jì)算出的輸入反射系數(shù)進(jìn)行建模。

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6．在保持所要求頻率響應(yīng)的前提下，基于實(shí)際情況，用Touchstone的調(diào)諧器窗對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)的元素進(jìn)行調(diào)制。

為驗(yàn)證上述程式的有效性，設(shè)計(jì)和搭建了一個(gè)PA電路。該C類 PA在225到400 MHz內(nèi)具有10W輸出功率，最小功率增益是10dB。因零偏置發(fā)射-基結(jié)結(jié)構(gòu)兼具高效和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，所以，C類采用該結(jié)構(gòu)。因具有優(yōu)異的可靠性和耐用性，所以摩托羅拉/飛思卡爾的MRF321 UHF功率晶體管被選用。MRF321在400MHz具有10W RF功率，工作在28V。

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輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)從在器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中選擇輸入和輸出阻抗(Z_in和Z*OL)開始，然后在整個(gè)相關(guān)頻段插入這些數(shù)據(jù)(可借助Touchstone完成)。表中顯示的是插入在225 MHz到400 MHz頻帶內(nèi)這些阻抗的樣本值。圖4顯示的是輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的圖形設(shè)計(jì)。

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中心頻率(312.5 MHz)的輸入阻抗位于點(diǎn)A。設(shè)計(jì)目標(biāo)是當(dāng)從點(diǎn)A移向圖表的中心時(shí)，不超過(guò)常數(shù)Q規(guī)定的范圍。其中：

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圖4顯示，低品質(zhì)因數(shù)(Q)寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)電路可通過(guò)多個(gè)L部分實(shí)現(xiàn)。匹配電路包括三個(gè)低通L型部分和一個(gè)旁路電容(C4)以補(bǔ)償輸入阻抗Z_in的感應(yīng)電抗。

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但該網(wǎng)絡(luò)具有一種包括兩個(gè)低通部分(L5–C5和L6–C6)、一個(gè)高通元件(C7)的帶通拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。旁路電感(L4)用于將晶體管的輸出電容中和掉。因在此例中，輸出阻抗水平更高，所以，輸出匹配電路的增益帶寬約束比輸入匹配電路簡(jiǎn)單。該網(wǎng)絡(luò)的梯形形式在諧波抑制中有用。

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計(jì)算機(jī)建模程式以設(shè)計(jì)可預(yù)測(cè)從f_L到f_H間的Z_in和Z_out的建模網(wǎng)絡(luò)開始。通過(guò)Touchstone對(duì)這些網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。圖6顯示的是這些網(wǎng)絡(luò)的最終優(yōu)化電路元素值。

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對(duì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)施優(yōu)化以表征由方程3給出的輸入端反射系數(shù)，以補(bǔ)償MRF321晶體管的6dB/倍頻的增益頻率斜率。可向作者索取優(yōu)化輸入匹配網(wǎng)絡(luò)所需的Touchstone電路文件。這些所需的輸入反射系數(shù)值被保存成一外部文件(GMRF321.S1P)。為控制整個(gè)頻帶的輸入VSWR，添加了兩個(gè)分別由L7、C8和R1及L8、C9和R2組成的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。另一方面，對(duì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化以在整個(gè)工作頻帶內(nèi)，為晶體管集電極提供優(yōu)化的負(fù)載阻抗Z_OL。添加了一個(gè)與L4串行的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以改進(jìn)匹配要求。圖7表示的是最終的優(yōu)化功率放大器電路。

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該功率放大器的正確建構(gòu)，以正確為匹配網(wǎng)絡(luò)選擇元件開始。利用安捷倫(www.agilent.com)的HP 8510B向量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量和調(diào)設(shè)全部元件。除陶瓷固定電位器外，為了調(diào)整還采用了微調(diào)電容器。所有電感都是由20和22 AWG烤漆線手工繞制的。用于絕緣DC電路的RF扼流器(choke)制成低Q型。

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電路做在一塊10.8×8cm的雙面PCB上，所用的是一種1.2mm厚的環(huán)氧玻璃PCB材料。

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選用環(huán)氧玻璃是因其隨處可買且便宜。電路做在上面，而覆銅底層做地平面。為得到良好的電路穩(wěn)定性，將一個(gè)鐵磁珠與基極扼流器串接在一起以抑制低頻振蕩。然后將該電路裝在一個(gè)11×9×3cm大小的外殼以將功率放大器與外部干擾信號(hào)絕緣。該外殼與一個(gè)合適的散熱器固定在一起。在輸入和輸出端采用BNC接頭用于信號(hào)輸送。為DC偏置在殼體上裝接了一個(gè)旁路(feed-through)電容器。RF晶體管的底襯用一個(gè)合適的螺釘與散熱器固定在一起。圖8表示的是作為從225到400 MHz間頻率的函數(shù)的輸出功率。

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功率增益是9.5±1dB。但，并沒(méi)試圖對(duì)該特性進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)調(diào)整。調(diào)整微調(diào)電容使在高低頻兩端有相同的峰值增益能得到更好的寬帶工作效果。若這樣做，一個(gè)三端口循環(huán)器應(yīng)被放在功率放大器的輸入端以保護(hù)輸入功率放大器免受在該過(guò)程中因VSWR衰減可能產(chǎn)生的反射功率影響。在工作頻帶內(nèi)，發(fā)現(xiàn)二級(jí)諧波水平比基本信號(hào)功率低16到20dB。