如何利用實(shí)用的方法構(gòu)建C類功率放大器（上）

　　寬帶C類功率放大器(PA)在某些通信頻帶中是有用的。雖然現(xiàn)已被集成進(jìn)Agilent-EEsof (www.agilent.com)的先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(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(qiáng)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(hào)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(nèi)開(kāi)發(fā)工作于50歐姆系統(tǒng)阻抗網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法。為確認(rèn)該方法的有效性，設(shè)計(jì)了一個(gè)從225到 400 MHz間功率增益是10dB的10W功率放大器。

　　設(shè)計(jì)寬帶微波PA是一項(xiàng)充滿挑戰(zhàn)性工作。RF功率器件參數(shù)隨信號(hào)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(fù)雜。

　　大信號(hào)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(shè)計(jì)中，還應(yīng)用了大信號(hào)S參數(shù)。但因測(cè)量這些大信號(hào)S參數(shù)很困難，該技術(shù)用處有限。采用數(shù)值分析的計(jì)算機(jī)模擬也被用于預(yù)測(cè)C類功率放大器的行為。雖然該方法能得出精確結(jié)果，但采用該方法設(shè)計(jì)C類功率放大器是個(gè)冗長(zhǎng)而晦澀的過(guò)程。幸運(yùn)地是，在1970年代中期發(fā)展起來(lái)的諧波均衡設(shè)計(jì)方法極大簡(jiǎn)化了非線性電路和大信號(hào)功率放大器的設(shè)計(jì)。該技術(shù)的一個(gè)基本限制是其復(fù)雜性及解決電路問(wèn)題所需的需用專業(yè)數(shù)學(xué)方法完成的大量數(shù)學(xué)運(yùn)算。

　　源于RF功率晶體管的非線性特征，一個(gè)完整的雙端口器件模型并非設(shè)計(jì)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(fù)載及該功率器件的源終止。在RF器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中，一般在RF功率晶體管工作頻段內(nèi)的幾個(gè)頻點(diǎn)上給出優(yōu)化負(fù)載和大信號(hào)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(fù)載牽引(load-pull)調(diào)諧器通過(guò)測(cè)量該器件在整個(gè)相關(guān)頻帶內(nèi)的優(yōu)化負(fù)載和源阻抗對(duì)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(yù)測(cè)這些阻抗從低頻帶端(F_L)到高頻帶端(f_H)間的復(fù)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(fù)載阻抗，Zs是源負(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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(xiàn)能與在高低頻兩端測(cè)試到的阻抗數(shù)據(jù)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——可利用類似Touchstone(現(xiàn)ADS)等模擬軟件以優(yōu)化建模網(wǎng)絡(luò)的電路元素以預(yù)測(cè)相關(guān)全頻帶范圍內(nèi)的性能。

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

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

其中：G_H =高頻帶側(cè)f_H的增益。

利用Touchstone的優(yōu)化能力，可根據(jù)模型方程3設(shè)計(jì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。

推薦的寬帶C類 PA計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法可被歸納為如下的系統(tǒng)步驟：

1. 為得到所需的輸出功率、增益和電源電壓，從器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中在要求的頻帶內(nèi)選用大信號(hào)輸入和輸出阻抗(Z_in和Z*_OL)。
2. 利用數(shù)值內(nèi)插和外推技術(shù)擴(kuò)展阻抗數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)。當(dāng)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(xiàng)有用技術(shù)。
3. 選用合適的單端口網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓谡麄€(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(shè)計(jì)好建模電路后，分別在建模電路和源及50歐姆負(fù)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(shè)計(jì)程式，可對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)的元素進(jìn)行初始估值。
5. 對(duì)輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)施優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)期望的輸入和輸出匹配。輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成可實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)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(dá)到上述結(jié)果。將不同采樣頻率帶入方程3可對(duì)輸入反射系數(shù)進(jìn)行估算并將其存儲(chǔ)在外部數(shù)據(jù)文件中。然后對(duì)輸入匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化以在整個(gè)頻帶對(duì)計(jì)算出的輸入反射系數(shù)進(jìn)行建模。
6. 在保持所要求頻率響應(yīng)的前提下，基于實(shí)際情況，用Touchstone的調(diào)諧器窗對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)的元素進(jìn)行調(diào)制。