基于小信號S參數的功率放大器設計

目前，微波功率放大器的設計方法主要有以下幾種：
(1)動(dòng)態(tài)阻抗測量法。在實(shí)際的工作條件下，使用儀器測量功率管的動(dòng)態(tài)輸入阻抗以及輸出阻抗。通常輸出功率越大的功率管的輸入輸出阻抗越低，因此不容易得到準確數值。
(2)負載牽引測試法?，F在有專(zhuān)門(mén)測量負載牽引用的儀器，把功率管裝配到測試架上，接到負載牽引的儀器上面，使用儀器改變放大器輸出端口的匹配負載，測量不同負載下的增益和輸出功率。這些數據可以直接在電腦上存取，使用方便，比過(guò)去使用的負載牽引的測試方法要簡(jiǎn)單，但是該儀器價(jià)格比較昂貴，只有專(zhuān)業(yè)設計生產(chǎn)管子的廠(chǎng)家才會(huì )配備。
(3)非線(xiàn)性分析法。如果能得到功率管的大信號非線(xiàn)性模型，可以使用軟件的非線(xiàn)性仿真功能來(lái)確定比較合適的負載阻抗和源阻抗，從而得到功率管的非線(xiàn)性性能。管子模型的建立比較困難，但是建模以后再次使用會(huì )比較方便。
(4)小信號S參數分析法。在小信號設計中確定最佳輸出阻抗通常使用負載線(xiàn)法，負載線(xiàn)法的主要工作是計算功率管的負載線(xiàn)，在使用的電壓確定的情況下，根據輸出功率參考功率器件資料中給定的電流-電壓曲線(xiàn)可以得到該曲線(xiàn)，從而確定出最佳輸出阻抗的實(shí)部。該方法使用仿真軟件就可以進(jìn)行，不需要昂貴的儀器，適用于大多數的設計情況。
除了高線(xiàn)性的功率放大器外，大部分的功放是工作在大信號狀態(tài)的，屬于非線(xiàn)性器件。理想情況下，設計者應該使用功率管的大信號參數進(jìn)行設計，但在大部分情況下，設計者很難獲得功率管的大信號參數，器件廠(chǎng)商提供的只有小信號S參數以及靜態(tài)I～V曲線(xiàn)。采用小信號S參數之前，首先根據I～V曲線(xiàn)計算出最大功率輸出時(shí)功率管的負載電阻，再通過(guò)匹配電路對功率管輸出電路進(jìn)行匹配，就能夠得到最大的輸出功率。同時(shí)也需要對輸入電路進(jìn)行匹配，以得到較高的增益和良好的駐波特性。

1 小信號法設計步驟
首先把功率管的小信號S參數輸入到仿真軟件，對其增益和輸入匹配電路進(jìn)行優(yōu)化，再利用功率管的I～V曲線(xiàn)確定器件在最大輸出功率時(shí)的漏極實(shí)部阻抗R。R既可以通過(guò)測量得到，也可以通過(guò)器件靜態(tài)I～V性來(lái)確定。一般來(lái)說(shuō)輸出阻抗純實(shí)部負載阻抗R外，還有虛部阻抗，因此需要在在漏源之間并聯(lián)一個(gè)電容CDS。器件在封裝的時(shí)候會(huì )引入很多寄生元件，如果不考慮這些寄生元件得到的匹配電路通常都是不正確的，因此需要確定出封裝器件的這些寄生元件。從器件的小信號S參數提取則是一種比較方便實(shí)現的方法，為了減小工作量，通常使用計算機輔助設計技術(shù)進(jìn)行仿真。下面以Fujitsu公司的FLLl77ME為例說(shuō)明功率放大器的小信號S參數設計方法。

2 小信號S參數法設計功率放大器實(shí)例
2．1 輸出電路匹配
(1)根據功率管I～V曲線(xiàn)，計算最大功率輸出時(shí)的負載線(xiàn)實(shí)部電阻R。

其中，VD是漏極的偏置電壓；VS為拐點(diǎn)電壓，約為2 V；Idss是飽和漏電流。
根據富士通公司給的FLLl77ME的資料的靜態(tài)I～V曲線(xiàn)，計算電阻最佳負載線(xiàn)可得VD=10 V；VS=1．8 V；Idss=0．6 A，則R=22．8 Ω。
(2)輸出端匹配的確定
只有正確的優(yōu)化輸出電路，才能得到最大的輸出功率，為了得到準確的R，輸出匹配電路應包含管子的封裝參數，其中包括管子CDS和漏極、源極所有寄生元件，并建立輸出電路仿真模型。從引言中我們知道從功率管的小信號S參數中可以取得封裝功率管的寄生元件。在軟件中建立模型的時(shí)候，這些封裝參數都需要用電路元件替代。建立好的功率管的輸出電路模型如圖l所示。