輸入匹配電路和輸出匹配電路

輸入匹配電路和輸出匹配電路

成功地設(shè)計(jì)固態(tài)微波功率放大器的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。
在任何一個(gè)微波功率放大器設(shè)計(jì)中，錯(cuò)誤的阻抗匹配將使電路不穩(wěn)定，同時(shí)會(huì)使電路效率降低和非線性失真加大。
在設(shè)計(jì)功率放大器匹配電路時(shí)，匹配電路應(yīng)同時(shí)滿足匹配、諧波衰減、帶寬、小駐波、線性及實(shí)際尺寸等多項(xiàng)要求。
當(dāng)有源器件一旦確定后，可以被選用的匹配電路是相當(dāng)多的，企圖把可能采用的匹配電路列成完整的設(shè)計(jì)表格幾乎是不現(xiàn)實(shí)的。
設(shè)計(jì)單級(jí)功率放大器主要是設(shè)計(jì)輸入匹配電路和輸出匹配電路；
設(shè)計(jì)兩級(jí)功率放大器除了要設(shè)計(jì)輸入匹配電路和輸出匹配電路外，還需要設(shè)計(jì)級(jí)間匹配電路。
（1）輸入匹配電路
輸入匹配電路和輸出匹配電路主要是對一端是50?，另一端是實(shí)數(shù)部分較小的復(fù)數(shù)阻抗進(jìn)行匹配。
當(dāng)大功率管的輸入阻抗是容性、低電阻值時(shí)，通常可以采用下述五種輸入匹配電路

圖7-17 輸入匹配電路
（a）電路A；（b）電路B；（c）電路C；（d）電路D；（e）電路E。
當(dāng)大功率管的等效輸入阻抗呈感性，它的實(shí)部比較小時(shí)，可以采用并聯(lián)電容的輸入匹配電路，把等效輸入阻抗中的電感分量諧振掉，這種輸入匹配電路應(yīng)該是低通匹配網(wǎng)絡(luò)，能匹配較低的阻抗。通常，輸入匹配電路的諧振電容可以用微帶短截線實(shí)現(xiàn)。當(dāng)放大器的工作頻率及功率管選定后，諧振實(shí)阻抗值可能小于50?，也可能是很大的數(shù)值。當(dāng)諧振實(shí)阻抗低于50?時(shí)，低通匹配電路很容易使它與50?阻抗匹配。
（1）輸入匹配電路
如果采用微帶匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，諧振實(shí)阻抗不能太高，原因是用低通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)把高阻抗降到50?時(shí)要用到串聯(lián)高阻抗傳輸線。該傳輸線的特性阻抗至少高于諧振實(shí)阻抗，達(dá)一倍以上，這就使串聯(lián)高阻抗傳輸線非常窄，加大了匹配網(wǎng)絡(luò)的損耗，加大了工藝難度，有時(shí)甚至無法實(shí)現(xiàn)。在尺寸允許時(shí)，可以采用四分之一波長阻抗變換網(wǎng)絡(luò)。
輸出匹配電路確定后，功率放大器的輸出功率及效率也基本確定了，但是它的增益平坦度并不一定滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。這時(shí)，需要合理設(shè)計(jì)輸入匹配電路以便使增益平坦度滿足要求。
設(shè)計(jì)輸入匹配電路時(shí)，還應(yīng)考慮輸入駐波比不能太大，在設(shè)計(jì)頻帶要求較寬時(shí)，這個(gè)問題顯得特別突出，頻帶越寬設(shè)計(jì)難度越大。為了改善輸入駐波比性能，可以采用鐵氧體隔離器，也可以采用平衡放大器技術(shù)。
（2）輸出匹配電路
輸出匹配電路主要應(yīng)具備損耗低，諧波抑制度高，改善駐波比，提高輸出功率及改善非線性等功能。
①諧波抑制。功率放大器的非線性特性使輸出不僅包含基波信號(hào)，同時(shí)還存在各項(xiàng)諧波，諧波幅度大小與基波信號(hào)大小呈一定的比例關(guān)系。在大功率放大器中，由于基波功率比較大，因此諧波功率也比較大，特別是2次諧波和3次諧波，它們對系統(tǒng)的影響是不可忽略的。為了減小諧波功率輸出，通常輸出匹配電路采用低通結(jié)構(gòu)或帶通結(jié)構(gòu)。在采用帶通結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)消除寄生通帶的影響。當(dāng)要求諧波輸出非常小，單靠上述匹配電路是不能滿足對諧波的抑制，還需要加帶阻濾波網(wǎng)絡(luò)。
②改善駐波比。功率放大器匹配電路設(shè)計(jì)不完善會(huì)使功率放大器輸出駐波比較大，因此會(huì)加大帶內(nèi)增益起伏，產(chǎn)生寄生信號(hào)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生自激振蕩和燒毀功率管。因此，在設(shè)計(jì)輸出匹配電路時(shí)必須使駐波比較小。
（2）輸出匹配電路
③低損耗。在大功率放大器中，由于輸出功率較大，輸出電路有一點(diǎn)損耗就會(huì)有較大功率損失，并且，在輸出電路板上轉(zhuǎn)成熱耗，從而使電路的可靠性變差。例如，連續(xù)波輸出功率為200W，輸出匹配電路損耗為1dB，則耗散在輸出匹配電路上的功率高達(dá)40W以上。輸出功率越大，輸出匹配電路上所耗散的功率越大。因此，在設(shè)計(jì)大功率放大器時(shí)，應(yīng)該盡可能減小輸出匹配電路的損耗。
④線性。由非線性分析知道，功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)是與負(fù)載有關(guān)的，因此在設(shè)計(jì)輸出匹配電路時(shí)，必須考慮線性指標(biāo)的要求。負(fù)載選擇應(yīng)確保線性最好。
⑤效率。功率放大器的效率除了取決于晶體管的工作狀態(tài)、電路結(jié)構(gòu)、負(fù)載等因素外，還與輸出匹配電路密切相關(guān)。要求輸出匹配電路保證基波功率增益最大，諧波功率增益最小，損耗盡可能小和良好的散熱裝置。
級(jí)間匹配電路除了與輸入匹配電路一起實(shí)現(xiàn)平坦增益特性外，還應(yīng)具備級(jí)間隔直流功能。有關(guān)隔直流電路的設(shè)計(jì)內(nèi)容可以參考第六講低噪聲放大器有關(guān)內(nèi)容。
兩級(jí)功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)不僅取決于末級(jí)功率放大器，同時(shí)還取決于末前級(jí)功率放大器。
在設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)增益平坦、
電路穩(wěn)定及輸出功率等指標(biāo)，功率放大器
不可能完全匹配。為了改善功率放大器的
匹配性能，通常采用平衡功率放大器。
平衡功率放大器有許多優(yōu)點(diǎn)：
（1）在設(shè)計(jì)單端功率放大器時(shí)，為了滿足平坦增益及穩(wěn)定性要求，失配往往很厲害；而在設(shè)計(jì)平衡功率放大器時(shí)，只要保證配對的功率晶體管性能一致，則合成網(wǎng)絡(luò)可以改善由于單端功率放大器引起的失配。因此，平衡功率放大器在實(shí)現(xiàn)平坦功率增益和穩(wěn)定性的同時(shí)，又有較好的匹配性能，通常可實(shí)現(xiàn)1個(gè)倍頻程帶寬，做得好時(shí)帶寬接近2個(gè)倍頻程。
（2）級(jí)間很易隔離，因此級(jí)間的調(diào)整工作量比較小。
（3）由于匹配性能好，反射小，因此電路工作穩(wěn)定。
（4）當(dāng)電路中某一個(gè)晶體管損壞時(shí)，僅僅使功率放大器總增益下降6dB，對有些系統(tǒng)，這種增益下跌還不會(huì)使系統(tǒng)受到致命打擊。
（5）在線性功率放大器設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用平衡功率放大器來改善線性指標(biāo)。
（6）在實(shí)現(xiàn)多級(jí)功率放大器時(shí)，平衡功率放大器的調(diào)整比不平衡功率放大器要少得多。
在設(shè)計(jì)功率放大器時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)增益平坦、
電路穩(wěn)定及輸出功率等指標(biāo)，功率放大器
不可能完全匹配。為了改善功率放大器的
匹配性能，通常采用平衡功率放大器。
平衡功率放大器有許多優(yōu)點(diǎn)：
（1）在設(shè)計(jì)單端功率放大器時(shí)，為了滿足平坦增益及穩(wěn)定性要求，失配往往很厲害；而在設(shè)計(jì)平衡功率放大器時(shí)，只要保證配對的功率晶體管性能一致，則合成網(wǎng)絡(luò)可以改善由于單端功率放大器引起的失配。因此，平衡功率放大器在實(shí)現(xiàn)平坦功率增益和穩(wěn)定性的同時(shí)，又有較好的匹配性能，通?？蓪?shí)現(xiàn)1個(gè)倍頻程帶寬，做得好時(shí)帶寬接近2個(gè)倍頻程。
（2）級(jí)間很易隔離，因此級(jí)間的調(diào)整工作量比較小。
（3）由于匹配性能好，反射小，因此電路工作穩(wěn)定。
（4）當(dāng)電路中某一個(gè)晶體管損壞時(shí)，僅僅使功率放大器總增益下降6dB，對有些系統(tǒng)，這種增益下跌還不會(huì)使系統(tǒng)受到致命打擊。
（5）在線性功率放大器設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用平衡功率放大器來改善線性指標(biāo)。
（6）在實(shí)現(xiàn)多級(jí)功率放大器時(shí)，平衡功率放大器的調(diào)整比不平衡功率放大器要少得多。