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氮化镓功率放大器的阻抗比對理論分析靜态工作點的選取和穩定性分析是功率放大電路的設計前提,所選的工藝決定了設計名額的上限,

作者:林伯南

氮化镓功率放大器的阻抗比對理論分析

靜态工作點的選取和穩定性分析是功率放大電路的設計前提,所選的工藝決定了設計名額的上限,而比對網絡則是功放MMIC設計的核心。

良好的比對在很大程度上決定了電路的輸出特性,能夠實作盡可能高效的功率傳輸,功率、增益、效率以及噪聲等特性都受到比對網絡的影響。

集中比對電路适用于較低頻段的電路,此時信号波長遠大于元件尺寸,寄生效應不明顯,且電路面積小、結構簡單。常見的類型包括L型、T型和π型等。

L型電路由兩個電感或電容器件構成“L”形網絡,元件的取值決定了阻抗的變化範圍T 型和元型電路可以等效為兩個 L型電路并排放置,相比L型可以實作更大的陽抗變化範圍,變化值的調整也更加靈活。三種比對電路示意圖如圖1所示。

根據阻抗比對理論,集總比對電路可以對任意非純虛數阻抗的端口進行比對但是當使用頻率較高時,集總元件的寄生效應已經無法忽略,對比對的精确度造成很大影響,需要使用混合比對電路實作目标。

通常是用微帶線參與比對,結合集總參數元件共同搭建比對網絡。電感元件的到地損耗會影響電路的效率,一般不用于高頻段設計。

大多數阻抗變換隻需要并聯電容和微帶線就可以實作,通過調整電容的參數和接入微帶線的點位就能夠改變網絡參數,在微波單片電路設計中應用廣泛。

設計多級放大電路時,不能隻是單純地比對到50Ω,不同位置的比對網絡要實作不同的功能,是以還需要綜合考慮工作帶寬、頻率響應和實際制造的可行性等因素。一個簡化的二級放大電路如圖2所示。

輸出級比對網絡直接影響放大電路的最終輸出,是比對網絡設計最重要的部分,通常也是設計優先級最高的部分,需要綜合以下考慮:

為了盡可能增大輸出水準,輸出級比對需要考慮對諧波的抑制。

前面已經介紹過,在功率放大電路中,容易産生諧波失真和交調失真等非線性産物,不僅會影響輸出頻譜,還會擠占目标輸出的能量,影響輸出特性,是以輸出比對網絡需要結合濾波結構過濾帶外雜波和諧波輸出,通常使用低頻或者帶通網絡實作抑制作用。

比對網絡自身的插入損耗也對輸出有很大影響,如果傳輸大功率信号的末級比對電路插入損耗過大不僅會大幅降低增益和銷率,産生的熱量還會影響單片工作的穩定性。

為了避免信号在鄰近輸出支路竄擾,需要提高各端口間隔離度。

傳統的功率放大電路輸出級結構,是先經過功分器實作功率合成,再比對到50Ω負載,這樣的結構會分别經過功分網絡和比對網絡兩次損耗,降低了輸出功率,還增大了電路面積。

在大功率輸出的單片電路中,需要合理規劃拓撲結構,為了減小損耗,以及節省面積降低成本,往往需要将輸出級比對電路和功率合成相結合,避免整體電路的冗雜。

輸入級比對電路主要影響的是放大器的增益以及源端的回波損耗,級間比對電路則主要保證前級驅動的功率能高效、平衡地傳遞到下一級功率器件的輸入端司時還要防止直流能量洩露到信号路徑中。

輸入級和級間比對網絡通常使用較為簡單的低通結構,以輸入駐波、增益和增益平坦度為主要優化目标。

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