1、功率放大器设计的关键：输出匹配电路的性能2008-05-15 17:51:20 作者：未知 来源:电子设计技术 关键字：功率放大器 匹配电路 匹配网络 s 参数 串联电阻 输出功率 Cout 耗散功率网络分析仪 高 Q 值对于任何功率放大器（功率放大器）设计，输出匹配电路的性能都是个关键。但是，在设计过程中，有一个问题常常为人们所忽视，那就是输出匹配电路的功率损耗。这些功率损耗出现在匹配网络的电容器、电感器，以及其他耗能元件中。功率损耗会降低功率放大器的工作效率及功率输出能力。因为输出匹配电路并不是一个 50 的元件，所以耗散损失与传感器增益有很大的区别。输出匹配的具体电路不同，损耗也不一样。
2、对于设计者而言，即使他没有选择不同技术的余地，在带宽和耗散损失之间，在设计方面仍然可以做很多折衷。匹配网络是用来实现阻抗变化的，就像是功率从一个系统或子系统传送另一个系统或者子系统，RF 设计者们在这上面下了很大的功夫。对于功率放大器，阻抗控制着传送到输出端的功率大小，它的增益，还有它产生的噪声。因此，功率放大器匹配网络的设计是性能达到最优的关键。损耗有不同的定义，但是这里我们关心的是在匹配网络中，RF 功率以热量的形式耗散掉的损耗。这些损耗掉的功率是没有任何用途。依据匹配电路功能的不同，损耗的可接受范围也不同。对功率放大器来讲，输出匹配损耗一直是人们关注的问题，因为这牵涉到很大的功率。效率低
3、不仅会缩短通话时间，而且还会在散热和可靠性方面带来很大的问题。例如，一个 GSM 功率放大器工作在 3.5V 电压时，效率是 55%，能够输出 34dBm 的功率。在输出功率为最大时，功率放大器的电流为 1.3A。匹配的损耗在 0.5dB 到 1dB 的数量级，这与输出匹配的具体电路有关。在没有耗散损失时，功率放大器的效率为 62%到 69%。尽管损耗是无法完全避免的，但是这个例子告诉我们，在功率放大器匹配网络中，损耗是首要问题。耗散损失现在我们来看一个网络，研究一个匹配网络（图 1a）中的耗散损失。电源通过无源匹配网络向无源负载传输功率。在电源和负载阻抗之间没有任何其他的限制。把匹配网络和负
4、载合在一起考虑，电源输出一个固定量的功率 Pdel 到这个网络（图 1b） 。输出功率的一部分以热量的形式耗散在匹配网络中。而其余的则传输到负载。Pdel是传输到匹配网络和负载（图 1c）上的总功率，PL 是传输到负载的那部分功率。了解了这两个量，我们就可以知道，实际上到底有多大的一部分功率是作为有用功率从电源传输到了负载，其比例等于 PL/Pdel。这是对功率放大器输出匹配的耗散损失的正确测量，因为它只考虑了实际传输功率以及耗散功率。反射功率没有计算进去。由此可知，这个比例就等于匹配网络工作时的功率增益 GP。而工作时的功率增益完整表达式为：这里，是负载反射系数，是匹配网络的 s 参数，损失
5、就是增益的倒数。因此，耗散损失可以定义为：Ldiss = 1/GP。对于功率放大器而言，我们为它设计的负载一般是 50。通常，我们用来测量 s 参数的系统阻抗也是 50。如果系统阻抗和负载都是 50，那么就为 0，于是，上面的表达式就可以简化为：在计算一个匹配网络的耗散损失时，只需要知道它的传输值和反射散射参数的大小，这些可以很容易地从 s 参数的计算过程中得到，因为网络分析仪通常都会采用线性的方式来显示 s 参数的值。在评估输入和级间耗散损失时，负载的阻抗不是 50，但是上述的规律依然适用。因为反射和耗散损失很容易混淆，射频工程师有时就会采用错误的方法来计算耗散损失。而最糟糕的方法就是采用未
6、经处理的 s21 来进行计算。一个典型的匹配网络在 1GHz（图 2）时，对功率放大器而言，是数值为4+j0 的负载阻抗。匹配网络采用的是无损耗元件来进行模拟的，所以在匹配网络中不存在功率的耗散问题。然而，s21 却是-6dB，因为在 50 的源阻抗和 4 的负载之间存在着巨大的不匹配问题。作为一个无损耗网络，除了一些数字噪音外，模拟的耗散损失为 0dB。在电路的模拟当中，我们可能可以采用 s21 来求出正确的耗散损失。这一过程包括采用复杂模拟负载线的共轭阻抗来作为源阻抗。由于耗散损失和源阻抗并没有关系，所以，这是一个正确的方法，但是不便于使用。另一种通用的方法就是采用电路模拟器中的最大增益来
7、计算。由于这一测量采用了 ADS，所以它用起来比较方便。但是，它有可能会得到错误的答案。在一个只有 50 串联电阻的简单电路里，显然，负载也是 50，50串联电阻的耗散损失是 3dB，因为传输功率是均分给了 串联电阻和负载（表 1） 。在这个例子当中，模拟器可以选择 1G 的负载阻抗。当 50 的电阻和 1G 负载串联在一起时，它上面的电压降非常低，而功率的耗散也非常的少。正确的计算方法应该是采用工作功率增益。用其他方法可能也能得到相同的结果，但是不能保证一定可以得到结果。当负载为 50 时，要得到工作功率增益，是非常简单的，我们没有理由不用它。输出匹配电路输出匹配的具体电路不同，最终的损失也
8、不同。在微波频谱的低端，传输线占据了太多的空间，所以采用了集总元件的方法。在一个功率放大器模块的典型输出匹配电路中，使用大容量的隔直电容器来防止直流电流从功率放大器电源流到负载中去（图 2） 。用表面贴装电容器和印制电感器以及表面贴装电感器组成的两节低通匹配网络，可以将 50 的名义负载阻抗转化成合适的负载线。而负载线的设置是根据指定的功率放大器输出功率和可用的电源电压。手机放大器的负载线变化范围为 1 到 5。我们可以采用标准的或 高 Q 值电容器。还有另一个正在逐渐流行起来的做法就是采用集成电容。在许多工艺技术（包括 GaAs 和 CMOS）中，高品质的金属-高介电质- 金属结构的储存电容
9、器都是可以用的。有一家供应商提供不使用任何表面贴装元件的完整的 GSM 功率放大器模块，所有的匹配网络使用的都是引脚框架走线和集成电容 。除了可以减小尺寸外，采用集成电容在成本方面有它的优势，这点可以通过采用更好的生产线、降低装配的复杂性、节省物流工作，以及缩短交货时间来实现。把损失降到最低即使设计者无法选择不同的技术，在带宽和耗散损失之间，他们仍然可以有很大空间可以在设计方面进行折衷。要想了解一个输出匹配的损耗机制，有一个办法，就是采用无损耗元件来模拟匹配，然后每次在一个元件上引入损耗机制（表 2） 。电容器的品质因数与它的电容量是成反比的。要想使输出匹配的耗散损失达到最小，那么在输出匹配中
10、，Cl的值就必须尽可能地小。折衷是在带宽和耗散损失之间做出的。对于一个功率放大器的效率而言，耗散损失是非常关键的。耗散损失的值就等于匹配网络工作功率增益的倒数，而与源阻抗的任何特性都没有关系。当负载阻抗为 50 时，耗散损失的计算公式非常简单，且很容易应用在设计上。也有其他的方式可以测量输出匹配的损耗，但是这些测量方法有时会得到错误的结果。在输出匹配电路上，采用不同的电容器技术会带来不同的损失。集成电容非常适合用在低损失输出匹配上。即使已经选定了电容器技术，在带宽和耗散损失之间还是存在着很大的空间在设计方面进行折衷。表 1 50 串联电阻的耗散损失模拟结果 -3.5 dB最大增益 0.0 dB
11、Gp -3.0 dB表 2 输出匹配的机械损耗有损失的元件 在 1GHz 时耗散损失L1 0.17 dBC1 0.66 dBL2 0.15 dBC2 0.11 dBCout 0.03 dB总计 1.11 dB图 1 为计算求匹配网络的耗散损失而构造的网络（a） 。把匹配网络和负载一起考虑，电源输出一定数值的功率到这个复合网络（b）中。当电源输出 Pdel 到匹配网络和负载的复合网络时，PL 是传输到负载的那部分功率（c） 。图 2 一个典型的匹配网络在 1GHz 时，对功率放大器来讲，是一个数值为 4+ j0 的的负载阻抗。匹配网络采用的是无损耗元件来进行模拟，所以在匹配网络中，没有功率的耗散
12、出现无线传输中低噪声放大电路设计基础更新于 2012-03-24 11:49:37 文章出处:互联网无线传输 低噪声放大电路 阻抗匹配 通信距离1 引言近年来，随着冲击波存储测试技术的不断发展，无线传输技术广泛应用于冲击波存储测试领域。针对冲击波测试对无线传输系统通信距离的要求，研究了功率放大电路，设计出低噪声放大电路，从而提高无线传输系统的接收灵敏度，满足冲击波测试对无线传输距离的要求。 2 低噪声放大电路总体设计方案 图 1 为无线传输系统原理框图。接收端的功率放大电路模块由于信道具有衰减特性，经远距离传输到达接收端的射频信号电平多是 V 数量级，因此需放大微弱的射频信号。同时，信道中还存
13、许多干扰信号，即噪声，所以该系统设计应采用低噪声的射频功率放大电路。 21 低噪声功率放大电路 低噪声功率放大电路的核心器件是低噪声功率放大器，由于目前市场上的低噪声功率放大器性价比高，因此该低噪声功率放大电路无需设计低噪声功率放大器，而在于其外围电路及阻抗匹配。根据设计要求，所选的低噪声功率放大器应满足：工作频段应覆盖无线收发器的工作频率 433 MHz；工作电压为 33.3 V；高增益；低损耗；小噪声系数。 以下为射频功率放大器的主要技术参数。 (1)工作频率范围(F)低噪声功率放大器满足各项指标的工作频率范围。要保证各项指标以及放大器的实际工作频率应尽可能在所指定的工作频率范围内。 (2
14、)功率增益(G)是指在输入输出端口相匹配下，输出功率和输入功率的比值。设计过程中要求功率增益越大越好。 (3)噪声系数(NF) 噪声系数常作为接收端的小信号低噪声放大器的主要技术指标，该电路设计要求噪声系数越小越好。 (4)1 分贝压缩点输出功率(P1dB)在放大器线性动态范围内，其输出功率随输入功率线性增加。随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增大而线性增大。通常把增益下降到比线性增益低 1 dB 时的输出功率值定义为输出功率的 1dB 压缩点，用 P1dB 表示。动态范围越大越好。 (5)三阶截断点(IP3) 三阶截断点是衡量功率放大器线性度的重要指标，工
15、程上常用三阶截断点表征互调畸变。 (6)输入、输出驻波比(VSWR)VSWR 反映放大电路输入和输出端口的阻抗失配情况，因此低噪声放大器的 VSWR应满足：VSWR 越小，反射越小，匹配越好，传输效率越高。 (7)回波损耗(Reverse Losation)它是信号反射性能的参数。回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源。通常要求反射功率尽可能的小，这样就有更多的功率传送至负载。 22 低噪声功率放大器选型 根据系统设计要求，以及多种同类器件比较，RFMD 公司的 RF2361 具有高性能、低噪声、高增益、高动态范围，可接收 10 dB 的输入信号，具有工作等待模式的特点，故选用 RF23
16、61 作为 LNA 主器件。 图 2 为 RF2361 的引脚排列，其中：RF IN 为低噪声功率放大器输入，需通过一阻抗匹配网络达到 50 阻抗匹配：RF0UT 为低噪声功率放大器输出，也需通过一阻抗匹配网络达到 50 阻抗匹配；同时电源 VCC 给整个电路提供工作电压。VPD 用于控制偏置电流，与偏置电阻 R1 共同确定偏置电流。GND1 、GND2 为接地。23 低噪声功率放大电路原理 以低噪声功率放大器 RF2361 为核心设计的低噪声功率放大电路，如图 3 所示，其 VPD 引脚上的并联电容器实现电源 VPD 的滤波， RFOUT 引脚上的电感电容串并联网络可对电源 VCC 滤波。
17、24 放大电路阻抗匹配网络 典型的放大器一般包括输入匹配网络、晶体管放大电路、阻抗变换网络、直流偏置和输出阻抗匹配网络，如图 4所示。确定阻抗匹配网络中元件的参数、类型以及连接关系是实现匹配网络的关键。阻抗匹配是射频电路设计的重要问题，其目的是为了实现能量的最大功率传输，提高能量的传输效率。 阻抗匹配是指在能量传输时，要求负载阻抗和传输线的特征阻抗相等，此时传输的能量不会产生反射，几乎都被负载吸收。反之，如果阻抗失配，那么传输中就会有能量损耗。对于电路中的电流，低频率时，电阻起主要阻碍作用，而在高频时，电容和电感起阻碍作用也明显。因此，在高频时，就要考虑电路的阻抗匹配问题。 阻抗匹配电路的基本
18、要求为：将负载阻抗变换为与功放要求相匹配的负载阻抗，以保证传输最大能量：滤除多余的各次谐波分量，以保证负载能获得所需频率的射频功率：匹配电路的功率传输效率要尽可能高，即匹配电路的损耗要小。而阻抗匹配有 2 种方式：改变阻抗力和调整传输线。其中，改变阻抗力：是把电容或电感与负载串联起来，即增加或减少负载的阻抗值。 3 测试结果 采用最优性能的 RF2361 为核心设计的低噪声功率放大电路，使用 EDA 软件 Ansoft designer 中的电路优化工具来对射频电路优化分析和仿真，优化低噪声放大电路的技术参数，其电路仿真结果表明：整个功率放大电路已达到50 阻抗匹配要求，其网络性能得到优化，解
19、决了射频放大电路设计中电路匹配问题。经过矢量网络分析仪的测量，优化的电路参数比以前有较大改进，并大大简化电路设计。 4 结语 提出射频功率放大电路的总体设计方案，以低噪声功率放大器为核心，设计了低噪声功率放大电路。采用软件匹配方法解决了射频低噪声放大电路的阻抗匹配问题，使得低噪声放大电路的各项重要参数都得到了优化。需要注意的是选择最优的低噪声功率放大器，有利于增加无线传输系统的通信距离。阻抗匹配原理及负载阻抗匹配更新于 2012-03-02 21:06:36 文章出处:互联网阻抗匹配 负载 品质因数 T 形 形匹配电路信号或广泛电能在传输过程中，为实现信号的无反射传输或最大功率传输，要求电路连
20、接实现阻抗匹配。阻抗匹配关系着系统的整体性能，实现匹配可使系统性能达到最优。阻抗匹配的概念应用范围广泛，阻抗匹配常见于各级放大电路之间，放大电路与负载之间，信号与传输电路之间，微波电路与系统的设计中，无论是有源还是无源，都必须考虑匹配问题，根本原因是在低频电路中是电压与电流，而高频中是导行电磁波不匹配就会发生严重的反射，损坏仪器和设备。本文介绍阻抗匹配电路的原理及其应用。1 阻抗匹配的基本原理阻抗匹配是使微波电路或是系统的反射，载行波尽量接近行波状态的技术措施。阻抗匹配分为两大类：(1)负载与传输线之间的阻抗匹配，使负载无反射。方法是接入匹配装置使输入阻抗和特性阻抗相等。(2)信号源与传输线之
21、间匹配，分为两种情况：1) 使信号源无反射，方法是接入信号源与传输线之间接人匹配装置。2)信号源共轭匹配，方法是信号源与被匹配电路之间接入匹配装置，这种情况下多属于有源电路设计。2 负载阻抗匹配方法21 集总参数匹配电路通常情况下，使用电容电感实现阻抗匹配，在比较低的频段使用变压器实现匹配，也可以采用 L 形、 形、T 形实现匹配电路，这类电路体积小、结构简单、应用广泛。变压器：主要实现低频段，随着工作频段的升高，这类电路的应用越来越少。传输线变压器可以实现宽带阻抗变换，实现 4：1 和 1：4 工作模式如图 1 和图 2 所示。可以实现平衡和非平衡的变换，尤其在电视机外接天线到同轴线输入端口
22、的连接中得到应用。L 形匹配电路：这类电路具有线路简洁和成本较低的优点，缺点是窄带电路。由于要考虑匹配和功率的损耗，尽量使用电感和电容性的元件，因此共有 8 种基本的电路可供选择。要设计合理的匹配电路就要选择合适的电容电抗元件参数，计算元件参数有两类方法：通过阻抗直接计算和通过史密斯圆图。前者的优点是计算精确且适合计算机计算，后者是一种直观有效的设计，可以充分合理地选择最优性能。现在可以通过使用计算机和功能强大的软件直接设计。T 形和丌形电路：这类电路可以实现电路的品质因数的调节，灵活性更高。多元件的匹配电路设计能降低电路的品质因数，却可以提高频带宽度。22 分布式参数元件电路匹配(1)混合型
23、匹配电路(中低频)这类电路设计中尽量的少用电感元件，因为它有较高的电阻损耗且寄生参数也很严重。设计中多使用电容元件的并联和传输线可以完成设计要求。(2)单分支匹配电路并联单分支电路由一段串联的传输线和一段并联的终端开路或短路传输线构成，设计时通常取恒定的传输线的特性阻抗，通过调节传输线的长度，进行阻抗匹配设计。(3)双分支匹配电路这类匹配电路更易于实现匹配阻抗的调节，只是设计有点复杂。23 噪声匹配电路热噪声：在电阻中电子的无规律波动将随温度的上升而增加可以看出第一级噪声的影响最大。当 Rs=Rs0 时，F=Fmin 噪声电路匹配。3 各匹配电路分析4 结束语无论是精心设计的集总参数电路还是微
24、波电路，需认清特征，如果阻抗值要提高，用串联方式。如果阻抗值要降低，则使用并联方式，两个电抗要有相反的类型，且要产生谐振。14 频率低端，多采用集总参数匹配电路，L 形匹配电路是最简洁的设计，也是低端的首选。如果电路设计中要求品质因数，可以使用 T 形或者丌形匹配电路，因为这类电路的品质因数可调，不过也要考虑多级匹配电路，达到电路的频率响应。使用多级匹配电路设计更灵活，可以满足电路的宽带需要。分布参数匹配电路，使用在中高频段，若介于集总和分布之间的话，最好采用混合匹配电路。若使用双分支电路不能满足要求，可以考虑多级匹配电路。电路的匹配设计不是单一的，要综合考虑偏置电路、反馈电路和频率调节电路的相互连接，要反复进行设计和修改，最终达到满意效果。上一篇 下一篇
