ADS阻抗匹配原理及負載阻抗匹配.doc

功率放大器設計的關鍵：輸出匹配電路的性能2008-05-15 17:51:20作者：未知來源:電子設計技術 關鍵字：功率放大器匹配電路匹配網(wǎng)絡s參數(shù)串聯(lián)電阻輸出功率Cout耗散功率網(wǎng)絡分析儀高Q值對于任何功率放大器（功率放大器）設計，輸出匹配電路的性能都是個關鍵。但是，在設計過程中，有一個問題常常為人們所忽視，那就是輸出匹配電路的功率損耗。這些功率損耗出現(xiàn)在匹配網(wǎng)絡的電容器、電感器，以及其他耗能元件中。功率損耗會降低功率放大器的工作效率及功率輸出能力。因為輸出匹配電路并不是一個50的元件，所以耗散損失與傳感器增益有很大的區(qū)別。輸出匹配的具體電路不同，損耗也不一樣。對于設計者而言，即使他沒有選擇不同技術的余地，在帶寬和耗散損失之間，在設計方面仍然可以做很多折衷。匹配網(wǎng)絡是用來實現(xiàn)阻抗變化的，就像是功率從一個系統(tǒng)或子系統(tǒng)傳送另一個系統(tǒng)或者子系統(tǒng)，RF設計者們在這上面下了很大的功夫。對于功率放大器，阻抗控制著傳送到輸出端的功率大小，它的增益，還有它產(chǎn)生的噪聲。因此，功率放大器匹配網(wǎng)絡的設計是性能達到最優(yōu)的關鍵。損耗有不同的定義，但是這里我們關心的是在匹配網(wǎng)絡中，RF功率以熱量的形式耗散掉的損耗。這些損耗掉的功率是沒有任何用途。依據(jù)匹配電路功能的不同，損耗的可接受范圍也不同。對功率放大器來講，輸出匹配損耗一直是人們關注的問題，因為這牽涉到很大的功率。效率低不僅會縮短通話時間，而且還會在散熱和可靠性方面帶來很大的問題。例如，一個GSM功率放大器工作在3.5V電壓時，效率是55%，能夠輸出34dBm的功率。在輸出功率為最大時，功率放大器的電流為1.3A。匹配的損耗在0.5dB到1dB的數(shù)量級，這與輸出匹配的具體電路有關。在沒有耗散損失時，功率放大器的效率為62%到69%。盡管損耗是無法完全避免的，但是這個例子告訴我們，在功率放大器匹配網(wǎng)絡中，損耗是首要問題。耗散損失現(xiàn)在我們來看一個網(wǎng)絡，研究一個匹配網(wǎng)絡（圖1a）中的耗散損失。電源通過無源匹配網(wǎng)絡向無源負載傳輸功率。在電源和負載阻抗之間沒有任何其他的限制。把匹配網(wǎng)絡和負載合在一起考慮，電源輸出一個固定量的功率Pdel到這個網(wǎng)絡（圖1b）。輸出功率的一部分以熱量的形式耗散在匹配網(wǎng)絡中。而其余的則傳輸?shù)截撦d。Pdel是傳輸?shù)狡ヅ渚W(wǎng)絡和負載（圖 1c）上的總功率，PL是傳輸?shù)截撦d的那部分功率。了解了這兩個量，我們就可以知道，實際上到底有多大的一部分功率是作為有用功率從電源傳輸?shù)搅素撦d，其比例等于PL/Pdel。這是對功率放大器輸出匹配的耗散損失的正確測量，因為它只考慮了實際傳輸功率以及耗散功率。反射功率沒有計算進去。由此可知，這個比例就等于匹配網(wǎng)絡工作時的功率增益GP。而工作時的功率增益完整表達式為：這里，是負載反射系數(shù)，是匹配網(wǎng)絡的s參數(shù)，損失就是增益的倒數(shù)。因此，耗散損失可以定義為：Ldiss = 1/GP。對于功率放大器而言，我們?yōu)樗O計的負載一般是50。通常，我們用來測量s參數(shù)的系統(tǒng)阻抗也是50。如果系統(tǒng)阻抗和負載都是50，那么就為0，于是，上面的表達式就可以簡化為：在計算一個匹配網(wǎng)絡的耗散損失時，只需要知道它的傳輸值和反射散射參數(shù)的大小，這些可以很容易地從s參數(shù)的計算過程中得到，因為網(wǎng)絡分析儀通常都會采用線性的方式來顯示s參數(shù)的值。在評估輸入和級間耗散損失時，負載的阻抗不是50，但是上述的規(guī)律依然適用。因為反射和耗散損失很容易混淆，射頻工程師有時就會采用錯誤的方法來計算耗散損失。而最糟糕的方法就是采用未經(jīng)處理的s21來進行計算。一個典型的匹配網(wǎng)絡在1GHz（圖 2）時，對功率放大器而言，是數(shù)值為4+j0的負載阻抗。匹配網(wǎng)絡采用的是無損耗元件來進行模擬的，所以在匹配網(wǎng)絡中不存在功率的耗散問題。然而， s21卻是-6dB，因為在50的源阻抗和4的負載之間存在著巨大的不匹配問題。作為一個無損耗網(wǎng)絡，除了一些數(shù)字噪音外，模擬的耗散損失為0dB。在電路的模擬當中，我們可能可以采用s21來求出正確的耗散損失。這一過程包括采用復雜模擬負載線的共軛阻抗來作為源阻抗。由于耗散損失和源阻抗并沒有關系，所以，這是一個正確的方法，但是不便于使用。另一種通用的方法就是采用電路模擬器中的最大增益來計算。由于這一測量采用了ADS，所以它用起來比較方便。但是，它有可能會得到錯誤的答案。在一個只有 50串聯(lián)電阻的簡單電路里，顯然，負載也是50，50串聯(lián)電阻的耗散損失是3dB，因為傳輸功率是均分給了串聯(lián)電阻和負載（表1）。在這個例子當中，模擬器可以選擇1G的負載阻抗。當50的電阻和1G負載串聯(lián)在一起時，它上面的電壓降非常低，而功率的耗散也非常的少。正確的計算方法應該是采用工作功率增益。用其他方法可能也能得到相同的結果，但是不能保證一定可以得到結果。當負載為50時，要得到工作功率增益，是非常簡單的，我們沒有理由不用它。輸出匹配電路輸出匹配的具體電路不同，最終的損失也不同。在微波頻譜的低端，傳輸線占據(jù)了太多的空間，所以采用了集總元件的方法。在一個功率放大器模塊的典型輸出匹配電路中，使用大容量的隔直電容器來防止直流電流從功率放大器電源流到負載中去（圖2）。用表面貼裝電容器和印制電感器以及表面貼裝電感器組成的兩節(jié)低通匹配網(wǎng)絡，可以將50的名義負載阻抗轉化成合適的負載線。而負載線的設置是根據(jù)指定的功率放大器輸出功率和可用的電源電壓。手機放大器的負載線變化范圍為 1到5。我們可以采用標準的或高Q值電容器。還有另一個正在逐漸流行起來的做法就是采用集成電容。在許多工藝技術（包括GaAs 和CMOS）中，高品質(zhì)的金屬-高介電質(zhì)-金屬結構的儲存電容器都是可以用的。有一家供應商提供不使用任何表面貼裝元件的完整的GSM功率放大器模塊，所有的匹配網(wǎng)絡使用的都是引腳框架走線和集成電容。除了可以減小尺寸外，采用集成電容在成本方面有它的優(yōu)勢，這點可以通過采用更好的生產(chǎn)線、降低裝配的復雜性、節(jié)省物流工作，以及縮短交貨時間來實現(xiàn)。把損失降到最低即使設計者無法選擇不同的技術，在帶寬和耗散損失之間，他們?nèi)匀豢梢杂泻艽罂臻g可以在設計方面進行折衷。要想了解一個輸出匹配的損耗機制，有一個辦法，就是采用無損耗元件來模擬匹配，然后每次在一個元件上引入損耗機制（表2）。電容器的品質(zhì)因數(shù)與它的電容量是成反比的。要想使輸出匹配的耗散損失達到最小，那么在輸出匹配中，Cl的值就必須盡可能地小。折衷是在帶寬和耗散損失之間做出的。對于一個功率放大器的效率而言，耗散損失是非常關鍵的。耗散損失的值就等于匹配網(wǎng)絡工作功率增益的倒數(shù)，而與源阻抗的任何特性都沒有關系。當負載阻抗為50時，耗散損失的計算公式非常簡單，且很容易應用在設計上。也有其他的方式可以測量輸出匹配的損耗，但是這些測量方法有時會得到錯誤的結果。在輸出匹配電路上，采用不同的電容器技術會帶來不同的損失。集成電容非常適合用在低損失輸出匹配上。即使已經(jīng)選定了電容器技術，在帶寬和耗散損失之間還是存在著很大的空間在設計方面進行折衷。表 1 50串聯(lián)電阻的耗散損失模擬結果 -3.5 dB最大增益 0.0 dBGp -3.0 dB表 2 輸出匹配的機械損耗有損失的元件 在1GHz時耗散損失L1 0.17 dBC1 0.66 dBL2 0.15 dBC2 0.11 dBCout0.03 dB總計 1.11 dB圖1 為計算求匹配網(wǎng)絡的耗散損失而構造的網(wǎng)絡（a）。把匹配網(wǎng)絡和負載一起考慮，電源輸出一定數(shù)值的功率到這個復合網(wǎng)絡（b）中。當電源輸出Pdel到匹配網(wǎng)絡和負載的復合網(wǎng)絡時，PL是傳輸?shù)截撦d的那部分功率（c）。圖2 一個典型的匹配網(wǎng)絡在1GHz時，對功率放大器來講，是一個數(shù)值為4+ j0的的負載阻抗。匹配網(wǎng)絡采用的是無損耗元件來進行模擬，所以在匹配網(wǎng)絡中，沒有功率的耗散出現(xiàn)無線傳輸中低噪聲放大電路設計基礎更新于2012-03-24 11:49:37 文章出處:互聯(lián)網(wǎng)無線傳輸?shù)驮肼暦糯箅娐纷杩蛊ヅ渫ㄐ啪嚯x1 引言近年來，隨著沖擊波存儲測試技術的不斷發(fā)展，無線傳輸技術廣泛應用于沖擊波存儲測試領域。針對沖擊波測試對無線傳輸系統(tǒng)通信距離的要求，研究了功率放大電路，設計出低噪聲放大電路，從而提高無線傳輸系統(tǒng)的接收靈敏度，滿足沖擊波測試對無線傳輸距離的要求。2 低噪聲放大電路總體設計方案圖1為無線傳輸系統(tǒng)原理框圖。接收端的功率放大電路模塊由于信道具有衰減特性，經(jīng)遠距離傳輸?shù)竭_接收端的射頻信號電平多是V數(shù)量級，因此需放大微弱的射頻信號。同時，信道中還存許多干擾信號，即噪聲，所以該系統(tǒng)設計應采用低噪聲的射頻功率放大電路。21 低噪聲功率放大電路低噪聲功率放大電路的核心器件是低噪聲功率放大器，由于目前市場上的低噪聲功率放大器性價比高，因此該低噪聲功率放大電路無需設計低噪聲功率放大器，而在于其外圍電路及阻抗匹配。根據(jù)設計要求，所選的低噪聲功率放大器應滿足：工作頻段應覆蓋無線收發(fā)器的工作頻率433 MHz；工作電壓為33.3 V；高增益；低損耗；小噪聲系數(shù)。以下為射頻功率放大器的主要技術參數(shù)。(1)工作頻率范圍(F)低噪聲功率放大器滿足各項指標的工作頻率范圍。要保證各項指標以及放大器的實際工作頻率應盡可能在所指定的工作頻率范圍內(nèi)。(2)功率增益(G)是指在輸入輸出端口相匹配下，輸出功率和輸入功率的比值。設計過程中要求功率增益越大越好。(3)噪聲系數(shù)(NF) 噪聲系數(shù)常作為接收端的小信號低噪聲放大器的主要技術指標，該電路設計要求噪聲系數(shù)越小越好。(4)1分貝壓縮點輸出功率(P1dB)在放大器線性動態(tài)范圍內(nèi)，其輸出功率隨輸入功率線性增加。隨著輸入功率的繼續(xù)增大，放大器進入非線性區(qū)，其輸出功率不再隨輸入功率的增大而線性增大。通常把增益下降到比線性增益低1 dB時的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點，用P1dB表示。動態(tài)范圍越大越好。(5)三階截斷點(IP3) 三階截斷點是衡量功率放大器線性度的重要指標，工程上常用三階截斷點表征互調(diào)畸變。(6)輸入、輸出駐波比(VSWR)VSWR反映放大電路輸入和輸出端口的阻抗失配情況，因此低噪聲放大器的VSWR應滿足：VSWR越小，反射越小，匹配越好，傳輸效率越高。(7)回波損耗(Reverse Losation)它是信號反射性能的參數(shù)?；夭〒p耗說明入射功率的一部分被反射回到信號源。通常要求反射功率盡可能的小，這樣就有更多的功率傳送至負載。22 低噪聲功率放大器選型根據(jù)系統(tǒng)設計要求，以及多種同類器件比較，RFMD公司的RF2361具有高性能、低噪聲、高增益、高動態(tài)范圍，可接收10 dB的輸入信號，具有工作等待模式的特點，故選用RF2361作為LNA主器件。圖2為RF2361的引腳排列，其中：RF IN為低噪聲功率放大器輸入，需通過一阻抗匹配網(wǎng)絡達到50阻抗匹配：RF0UT為低噪聲功率放大器輸出，也需通過一阻抗匹配網(wǎng)絡達到50阻抗匹配；同時電源VCC給整個電路提供工作電壓。VPD用于控制偏置電流，與偏置電阻R1共同確定偏置電流。GND1、GND2為接地。23 低噪聲功率放大電路原理以低噪聲功率放大器RF2361為核心設計的低噪聲功率放大電路，如圖3所示，其VPD引腳上的并聯(lián)電容器實現(xiàn)電源VPD的濾波，RFOUT引腳上的電感電容串并聯(lián)網(wǎng)絡可對電源VCC濾波。24 放大電路阻抗匹配網(wǎng)絡典型的放大器一般包括輸入匹配網(wǎng)絡、晶體管放大電路、阻抗變換網(wǎng)絡、直流偏置和輸出阻抗匹配網(wǎng)絡，如圖4所示。確定阻抗匹配網(wǎng)絡中元件的參數(shù)、類型以及連接關系是實現(xiàn)匹配網(wǎng)絡的關鍵。阻抗匹配是射頻電路設計的重要問題，其目的是為了實現(xiàn)能量的最大功率傳輸，提高能量的傳輸效率。阻抗匹配是指在能量傳輸時，要求負載阻抗和傳輸線的特征阻抗相等，此時傳輸?shù)哪芰坎粫a(chǎn)生反射，幾乎都被負載吸收。反之，如果阻抗失配，那么傳輸中就會有能量損耗。對于電路中的電流，低頻率時，電阻起主要阻礙作用，而在高頻時，電容和電感起阻礙作用也明顯。因此，在高頻時，就要考慮電路的阻抗匹配問題。阻抗匹配電路的基本要求為：將負載阻抗變換為與功放要求相匹配的負載阻抗，以保證傳輸最大能量：濾除多余的各次諧波分量，以保證負載能獲得所需頻率的射頻功率：匹配電路的功率傳輸效率要盡可能高，即匹配電路的損耗要小。而阻抗匹配有2種方式：改變阻抗力和調(diào)整傳輸線。其中，改變阻抗力：是把電容或電感與負載串聯(lián)起來，即增加或減少負載的阻抗值。3 測試結果采用最優(yōu)性能的RF2361為核心設計的低噪聲功率放大電路，使用EDA軟件Ansoft designer中的電路優(yōu)化工具來對射頻電路優(yōu)化分析和仿真，優(yōu)化低噪聲放大電路的技術參數(shù)，其電路仿真結果表明：整個功率放大電路已達到50阻抗匹配要求，其網(wǎng)絡性能得到優(yōu)化，解決了射頻放大電路設計中電路匹配問題。經(jīng)過矢量網(wǎng)絡分析儀的測量，優(yōu)化的電路參數(shù)比以前有較大改進，并大大簡化電路設計。4 結語提出射頻功率放大電路的總體設計方案，以低噪聲功率放大器為核心，設計了低噪聲功率放大電路。采用軟件匹配方法解決了射頻低噪聲放大電路的阻抗匹配問題，使得低噪聲放大電路的各項重要參數(shù)都得到了優(yōu)化。需要注意的是選擇最優(yōu)的低噪聲功率放大器，有利于增加無線傳輸系統(tǒng)的通信距離。阻抗匹配原理及負載阻抗匹配更新于2012-03-02 21:06:36 文章出處:互聯(lián)網(wǎng)阻抗匹配負載品質(zhì)因數(shù)T形形匹配電路信號或廣泛電能在傳輸過程中，為實現(xiàn)信號的無反射傳輸或最大功率傳輸，要求電路連接實現(xiàn)阻抗匹配。阻抗匹配關系著系統(tǒng)的整體性能，實現(xiàn)匹配可使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。阻抗匹配的概念應用范圍廣泛，阻抗匹配常見于各級放大電路之間，放大電路與負載之間，信號與傳輸電路之間，微波電路與系統(tǒng)的設計中，無論是有源還是無源，都必須考慮匹配問題，根本原因是在低頻電路中是電壓與電流，而高頻中是導行電磁波不匹配就會發(fā)生嚴重的反射，損壞儀器和設備。本文介紹阻抗匹配電路的原理及其應用。1 阻抗匹配的基本原理阻抗匹配是使微波電路或是系統(tǒng)的反射，載行波盡量接近行波狀態(tài)的技術措施。阻抗匹配分為兩大類：(1)負載與傳輸線之間的阻抗匹配，使負載無反射。方法是接入匹配裝置使輸入阻抗和特性阻抗相等。(2)信號源與傳輸線之間匹配，分為兩種情況：1)使信號源無反射，方法是接入信號源與傳輸線之間接人匹配裝置。2)信號源共軛匹配，方法是信號源與被匹配電路之間接入匹配裝置，這種情況下多屬于有源電路設計。2 負載阻抗匹配方法21 集總參數(shù)匹配電路通常情況下，使用電容電感實現(xiàn)阻抗匹配，在比較低的頻段使用變壓器實現(xiàn)匹配，也可以采用L形、形、T形實現(xiàn)匹配電路，這類電路體積小、結構簡單、應用廣泛。變壓器：主要實現(xiàn)低頻段，隨著工作頻段的升高，這類電路的應用越來越少。傳輸線變壓器可以實現(xiàn)寬帶阻抗變換，實現(xiàn)4：1和1：4工作模式如圖1和圖2所示。可以實現(xiàn)平衡和非平衡的變換，尤其在電視機外接天線到同軸線輸入端口的連接中得到應用。L形匹配電路：這類電路具有線路簡潔和成本較低的優(yōu)點，缺點是窄帶電路。由于要考慮匹配和功率的損耗，盡量使用電感和電容性的元件，因此共有8種基本的電路可供選擇。要設計合理的匹配電路就要選擇合適的電容電抗元件參數(shù)，計算元件參數(shù)有兩類方法：通過阻抗直接計算和通過史密斯圓圖。前者的優(yōu)點是計算精確且適合計算機計算，后者是一種直觀有效的設計，可以充分合理地選擇最優(yōu)性能。現(xiàn)在可以通過使用計算機和功能強大的軟件直接設計。T形和丌形電路：這