如何利用實(shí)用的方法構建C類(lèi)功率放大器（上）

　　寬帶C類(lèi)功率放大器(PA)在某些通信頻帶中是有用的。雖然現已被集成進(jìn)Agilent-EEsof (www.agilent.com)的先進(jìn)設計系統(ADS)仿真軟件中，Touchstone曾一度是用于開(kāi)發(fā)和優(yōu)化這種功率放大器阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )的強有力工具。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)要求頻帶內開(kāi)發(fā)工作于50歐姆系統阻抗網(wǎng)絡(luò )的設計方法。為確認該方法的有效性，設計了一個(gè)從225到 400 MHz間功率增益是10dB的10W功率放大器。

　　設計寬帶微波PA是一項充滿(mǎn)挑戰性工作。RF功率器件參數隨信號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?？墒褂枚喾N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雜。

　　大信號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設計中，還應用了大信號S參數。但因測量這些大信號S參數很困難，該技術(shù)用處有限。采用數值分析的計算機模擬也被用于預測C類(lèi)功率放大器的行為。雖然該方法能得出精確結果，但采用該方法設計C類(lèi)功率放大器是個(gè)冗長(cháng)而晦澀的過(guò)程。幸運地是，在1970年代中期發(fā)展起來(lái)的諧波均衡設計方法極大簡(jiǎn)化了非線(xiàn)性電路和大信號功率放大器的設計。該技術(shù)的一個(gè)基本限制是其復雜性及解決電路問(wèn)題所需的需用專(zhuān)業(yè)數學(xué)方法完成的大量數學(xué)運算。

　　源于RF功率晶體管的非線(xiàn)性特征，一個(gè)完整的雙端口器件模型并非設計輸入和輸出匹配網(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)化負載及該功率器件的源終止。在RF器件數據手冊中，一般在RF功率晶體管工作頻段內的幾個(gè)頻點(diǎn)上給出優(yōu)化負載和大信號源阻抗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。

　　可借助負載牽引(load-pull)調諧器通過(guò)測量該器件在整個(gè)相關(guān)頻帶內的優(yōu)化負載和源阻抗對RF功率晶體管特性進(jìn)行表征。如圖1所示，它要求一個(gè)單端口表述以預測這些阻抗從低頻帶端(F_L)到高頻帶端(f_H)間的復雜共軛變化。在此例中，Z_out = Z*_OL ，Z_in = Z*s；其中，Z_OL是優(yōu)化負載阻抗，Zs是源負載阻抗。圖2表示了該建模后的阻抗網(wǎng)絡(luò )的兩種可能拓撲結構。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 )。

　　可利用一個(gè)解析綜合程式來(lái)實(shí)現能與在高低頻兩端測試到的阻抗數據相匹適的單端口網(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(lèi)似Touchstone(現ADS)等模擬軟件以?xún)?yōu)化建模網(wǎng)絡(luò )的電路元素以預測相關(guān)全頻帶范圍內的性能。

　　若晶體管在一個(gè)寬的頻率范圍內以共軛方式匹配，則隨著(zhù)頻率的增加，可獲得的最大增益將以6dB/倍頻的負斜率滾降。用于補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較高的頻帶低端的一些功率。但該技術(shù)導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：

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，由下式表示：

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：

其中：Γ_in=輸入端的反射系數。

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

其中：G_H =高頻帶側f(wàn)_H的增益。

利用Touchstone的優(yōu)化能力，可根據模型方程3設計輸入匹配網(wǎng)絡(luò )。

推薦的寬帶C類(lèi) PA計算機設計方法可被歸納為如下的系統步驟：

1. 為得到所需的輸出功率、增益和電源電壓，從器件數據手冊中在要求的頻帶內選用大信號輸入和輸出阻抗(Z_in和Z*_OL)。
2. 利用數值內插和外推技術(shù)擴展阻抗數據采樣點(diǎn)。當確定器件在頻率f_L、f_o和f_H的終端阻抗時(shí)，這是一項有用技術(shù)。
3. 選用合適的單端口網(wǎng)絡(luò )拓撲在整個(gè)頻段為上述終端阻抗建模，并用Touchstone優(yōu)化其要素值。
4. 在設計好建模電路后，分別在建模電路和源及50歐姆負載終端間插入輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)一個(gè)大致的圖形設計程式，可對匹配網(wǎng)絡(luò )的元素進(jìn)行初始估值。
5. 對輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò )實(shí)施優(yōu)化以實(shí)現期望的輸入和輸出匹配。輸出匹配網(wǎng)絡(luò )設計成可實(shí)現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 )設計成能在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，可達到上述結果。將不同采樣頻率帶入方程3可對輸入反射系數進(jìn)行估算并將其存儲在外部數據文件中。然后對輸入匹配網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行優(yōu)化以在整個(gè)頻帶對計算出的輸入反射系數進(jìn)行建模。
6. 在保持所要求頻率響應的前提下，基于實(shí)際情況，用Touchstone的調諧器窗對匹配網(wǎng)絡(luò )的元素進(jìn)行調制。