如何利用實用的方法構(gòu)建C類功率放大器（下）

為驗證上述程式的有效性，設(shè)計和搭建了一個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)簡單的特點，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。

　　輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計從在器件數(shù)據(jù)手冊中選擇輸入和輸出阻抗(Z_in和Z*OL)開始，然后在整個相關(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。

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

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

　　但該網(wǎng)絡(luò)具有一種包括兩個低通部分(L5–C5和L6–C6)、一個高通元件(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單。該網(wǎng)絡(luò)的梯形形式在諧波抑制中有用。

　　計算機(jī)建模程式以設(shè)計可預(yù)測從f_L到f_H間的Z_in和Z_out的建模網(wǎng)絡(luò)開始。通過Touchstone對這些網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計和優(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。

　　對輸入匹配網(wǎng)絡(luò)實施優(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?？上蜃髡咚魅?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)。為控制整個頻帶的輸入VSWR，添加了兩個分別由L7、C8和R1及L8、C9和R2組成的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。另一方面，對輸出匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化以在整個工作頻帶內(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。

　　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。

　　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。

　　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11×9×3cm大小的外殼以將功率放大器與外部干擾信號絕緣。該外殼與一個合適的散熱器固定在一起。在輸入和輸出端采用BNC接頭用于信號輸送。為DC偏置在殼體上裝接了一個旁路(feed-through)電容器。RF晶體管的底襯用一個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。

　　功率增益是9.5±1dB。但，并沒試圖對該特性進(jìn)行經(jīng)驗調(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)二級諧波水平比基本信號功率低16到20dB。

作者：Firas Mohammed Ali