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1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 寬帶射頻功率放大器的匹配電路設(shè)計 阻抗變換器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為射頻電路以及功率傳輸系統(tǒng)中的基本部件。為了使寬帶射頻功率放大器的輸入、輸出到達的功率匹配,匹配電路的設(shè)計成為射頻功率放大器的重要任務(wù)。要實現(xiàn)寬帶內(nèi)的功率傳輸,匹配電路設(shè)計非常困難。本文設(shè)計的同軸變換器電路就能實現(xiàn)高效率的電路匹配。同軸變換器具有功率容量大、頻帶寬和屏蔽好的特性,廣泛應(yīng)用于VHF/UHF波段。常見的同軸變換器有1:4和1:9阻抗變換,如圖1所示。但是實際應(yīng)用中,線阻抗與負(fù)載不匹配時,它們的阻抗變換不再簡單看作1:4或1:9.本文通過建立模型,提出一種簡化分析方法。 1 同軸變換器模型
2、 同軸變換器有三個重要參數(shù):阻抗變換比、特征阻抗和電長度。這里用電長度是為了分析方便。當(dāng)同軸線的介質(zhì)和長度一定時,電長度就是頻率的函數(shù),可以不必考慮頻率。 1.1理想模型 理想的1:4變換器的輸入、輸出阻抗都匹配,每根同軸線的輸入、輸出阻抗等于其特征阻抗Z0,其等效模型如圖2所示。 其源阻抗Zg與ZL負(fù)載阻抗變換比為: 圖2和公式(1)說明:變換器的阻抗變換比等于輸入阻抗與輸出阻抗之比。 同軸變換器的輸入阻抗等于同軸線的輸入阻抗并聯(lián),輸出阻抗等于同軸線的輸出阻抗串聯(lián)。 1.2通用模型 由于特征阻抗是實數(shù),而源阻抗與負(fù)載阻抗一般都是復(fù)數(shù),所以,就不能簡單的用變換比來計算。阻抗匹配就是輸入阻抗等于
3、源阻抗的共軛,實現(xiàn)功率的傳輸。特征阻抗為Z0,電長度為E的無耗同軸線接復(fù)阻抗的電路如圖3所示。 由于源阻抗與同軸線特征不匹配,電路的反射系數(shù)就不是負(fù)載反射系數(shù)。 由于同軸線是無耗的,進入同軸線的功率就等于負(fù)載消耗的功率。那就可以把電路簡化只有一個負(fù)載Zin,又因為Zg與Zin都是復(fù)數(shù)且串聯(lián),就可以把Zg中的虛部等效到Zin中,得到反射系數(shù)為: 其中: 當(dāng)反射系數(shù)為零時,功率可以無反射的傳輸,這時阻抗實現(xiàn)完全匹配。 由公式(2),反射系數(shù)為零可以等效為分子為零,即: 其中: 當(dāng)E為90o時,可得: 由于特征阻抗為實數(shù),ZLZg*為實數(shù)時,方程才有解或才能完全匹配。當(dāng)ZL和Zg為實數(shù)時,就是常用的
4、/4阻抗變換。 當(dāng)E不等于900,利用實部與虛部都等于零得方程組: 整理化簡得: 公式(3)說明,不是任意兩個復(fù)阻抗都可以完全匹配,必須滿足特征阻抗為正實數(shù);可以并聯(lián)或串聯(lián)電抗元件,使兩個不可能完全匹配的復(fù)阻抗完全匹配。 通用模型是結(jié)合理想模型和同軸線分析建立,如圖4所示。把1:N同軸變換器等效一根同軸線,利用同軸線的分析結(jié)果,更容易獲得特征阻抗和電長度參數(shù)。 特別對于利用同軸變換器設(shè)計的匹配電路,可以簡化設(shè)計步驟,減少工作量。 2 寬帶匹配電路的設(shè)計 通過對同軸變換器的分析,可以通過調(diào)諧特征阻抗和電長度完成阻抗匹配。 但是實際同軸線的特征阻抗是有一定規(guī)格的,不是任意的,而且電長度又是隨頻率變
5、化的,所以采用同軸變換器和集總元件聯(lián)合實現(xiàn)寬帶匹配的方式。 2.1.集總元件匹配電路 復(fù)阻抗可以用電阻與電抗串聯(lián)表示,也可以用電阻與電抗并聯(lián)表示,這兩種表示的等效電路如圖5所示。 它們都是指同一個復(fù)數(shù),其轉(zhuǎn)換關(guān)系為: 公式4說明,電阻并聯(lián)電抗可以減小其復(fù)阻抗的實部,再串聯(lián)電抗抵消其虛部,就可以實現(xiàn)Rp到RS阻抗匹配。所需的電抗值可以通過表達式4計算,且Xp與XS取不同性質(zhì)的元件,如果Xp用電容,XS就用電感。 集總元件實現(xiàn)阻抗匹配原理:電阻并聯(lián)電抗減小其實部,再串聯(lián)電抗抵消其虛部,到達兩個純電路的匹配;當(dāng)匹配的不是純電阻時,可以采用抵消和吸納虛部的方法實現(xiàn)復(fù)阻抗的匹配。 2.2聯(lián)合匹配電路 以
6、Freescale公司MRF6VP2600推挽式MOSFET管的匹配電路設(shè)計為例,首先確定匹配電路的基本構(gòu)造和同軸變換器的阻抗變換,然后再確定特征阻抗、電長度和集總參數(shù)。由于輸入匹配電路設(shè)計與輸出匹配電路類似,下面詳細(xì)研究輸出匹配電路設(shè)計。MRF6VP2600的DATASHEET給的源極-源極的輸出阻抗如圖6所示。 圖6 MRF6VP2600的輸入-輸出阻抗 輸出匹配電路中,由于功率管采用推挽式工作,所以在輸出端參加1:1巴倫實現(xiàn)不平衡-平衡變換。利用通用模型,下面的工作就簡化為同軸線與集總參數(shù)的匹配電路設(shè)計。同軸線的特征阻抗和電長度計算公式為: 式中,Er為內(nèi)部填充介質(zhì)的相對介電常數(shù);D為外
7、導(dǎo)體內(nèi)徑;d是內(nèi)導(dǎo)體外徑;為內(nèi)導(dǎo)體系數(shù),單股內(nèi)導(dǎo)體時為1;C為空氣中光的速度;f為工作頻率,L為同軸線的長度。 公式5說明,電長度與頻率呈線性關(guān)系,且其長度越短,電長度受頻率的影響越小。 2.3仿真驗證 利用安捷倫公司的ADS工具開展輸出匹配電路設(shè)計與仿真,一般可采用大信號S參數(shù)仿真和諧波仿真,由于本文設(shè)計用于推挽式工作的匹配電路,所以選用更直觀的諧波平衡仿真。利用同軸線和巴倫的模型開展仿真的電路如圖7所示。 圖7 仿真原理圖 由于圖7的負(fù)載阻抗的實部是隨頻率增減而減少,所以在同軸變換器的兩端并聯(lián)電容??梢院苋菀讓﹄娐烽_展手動調(diào)諧和自動優(yōu)化,的仿真結(jié)果如圖8所示。 圖8 (87.5-108)Mhz匹配阻抗 由圖6,圖8可以得到各頻點的反射系數(shù);再根據(jù)反射系數(shù)與頻率的關(guān)系,可以求得匹配電路在工作頻帶的反射系數(shù);根據(jù)匹配效率與反射系數(shù)的關(guān)系,求得匹配電路的匹配效率。具體結(jié)果見表1。 表1 反射系數(shù)與匹配效率的計算結(jié)果 從表1可以得到,匹配電路的在工作頻段內(nèi)匹配效率達99.93%,實現(xiàn)了較好
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