输入匹配电路和输出匹配电路

输入匹配电路和输出匹配电路

成功地设计固态微波功率放大器的关键是设计阻抗匹配网络。
在任何一个微波功率放大器设计中，错误的阻抗匹配将使电路不稳定，同时会使电路效率降低和非线性失真加大。
在设计功率放大器匹配电路时，匹配电路应同时满足匹配、谐波衰减、带宽、小驻波、线性及实际尺寸等多项要求。
当有源器件一旦确定后，可以被选用的匹配电路是相当多的，企图把可能采用的匹配电路列成完整的设计表格几乎是不现实的。
设计单级功率放大器主要是设计输入匹配电路和输出匹配电路；
设计两级功率放大器除了要设计输入匹配电路和输出匹配电路外，还需要设计级间匹配电路。
（1）输入匹配电路
输入匹配电路和输出匹配电路主要是对一端是50，另一端是实数部分较小的复数阻抗进行匹配。
当大功率管的输入阻抗是容性、低电阻值时，通常可以采用下述五种输入匹配电路

图7-17  输入匹配电路
（a）电路A；（b）电路B；（c）电路C；（d）电路D；（e）电路E。
当大功率管的等效输入阻抗呈感性，它的实部比较小时，可以采用并联电容的输入匹配电路，把等效输入阻抗中的电感分量谐振掉，这种输入匹配电路应该是低通匹配网络，能匹配较低的阻抗。通常，输入匹配电路的谐振电容可以用微带短截线实现。当放大器的工作频率及功率管选定后，谐振实阻抗值可能小于50，也可能是很大的数值。当谐振实阻抗低于50时，低通匹配电路很容易使它与50阻抗匹配。
（1）输入匹配电路
如果采用微带匹配网络时，谐振实阻抗不能太高，原因是用低通网络结构把高阻抗降到50时要用到串联高阻抗传输线。该传输线的特性阻抗至少高于谐振实阻抗，达一倍以上，这就使串联高阻抗传输线非常窄，加大了匹配网络的损耗，加大了工艺难度，有时甚至无法实现。在尺寸允许时，可以采用四分之一波长阻抗变换网络。
输出匹配电路确定后，功率放大器的输出功率及效率也基本确定了，但是它的增益平坦度并不一定满足技术指标的要求。这时，需要合理设计输入匹配电路以便使增益平坦度满足要求。
设计输入匹配电路时，还应考虑输入驻波比不能太大，在设计频带要求较宽时，这个问题显得特别突出，频带越宽设计难度越大。为了改善输入驻波比性能，可以采用铁氧体隔离器，也可以采用平衡放大器技术。
（2）输出匹配电路
输出匹配电路主要应具备损耗低，谐波抑制度高，改善驻波比，提高输出功率及改善非线性等功能。
①谐波抑制。功率放大器的非线性特性使输出不仅包含基波信号，同时还存在各项谐波，谐波幅度大小与基波信号大小呈一定的比例关系。在大功率放大器中，由于基波功率比较大，因此谐波功率也比较大，特别是2次谐波和3次谐波，它们对系统的影响是不可忽略的。为了减小谐波功率输出，通常输出匹配电路采用低通结构或带通结构。在采用带通结构时，应消除寄生通带的影响。当要求谐波输出非常小，单靠上述匹配电路是不能满足对谐波的抑制，还需要加带阻滤波网络。
②改善驻波比。功率放大器匹配电路设计不完善会使功率放大器输出驻波比较大，因此会加大带内增益起伏，产生寄生信号，严重时会产生自激振荡和烧毁功率管。因此，在设计输出匹配电路时必须使驻波比较小。
（2）输出匹配电路
③低损耗。在大功率放大器中，由于输出功率较大，输出电路有一点损耗就会有较大功率损失，并且，在输出电路板上转成热耗，从而使电路的可靠性变差。例如，连续波输出功率为200W，输出匹配电路损耗为1dB，则耗散在输出匹配电路上的功率高达40W以上。输出功率越大，输出匹配电路上所耗散的功率越大。因此，在设计大功率放大器时，应该尽可能减小输出匹配电路的损耗。
④线性。由非线性分析知道，功率放大器的三阶交调系数是与负载有关的，因此在设计输出匹配电路时，必须考虑线性指标的要求。负载选择应确保线性最好。
⑤效率。功率放大器的效率除了取决于晶体管的工作状态、电路结构、负载等因素外，还与输出匹配电路密切相关。要求输出匹配电路保证基波功率增益最大，谐波功率增益最小，损耗尽可能小和良好的散热装置。
级间匹配电路除了与输入匹配电路一起实现平坦增益特性外，还应具备级间隔直流功能。有关隔直流电路的设计内容可以参考第六讲低噪声放大器有关内容。
两级功率放大器的三阶交调系数不仅取决于末级功率放大器，同时还取决于末前级功率放大器。
在设计功率放大器时，为了实现增益平坦、
电路稳定及输出功率等指标，功率放大器
不可能完全匹配。为了改善功率放大器的
匹配性能，通常采用平衡功率放大器。
平衡功率放大器有许多优点：
（1）在设计单端功率放大器时，为了满足平坦增益及稳定性要求，失配往往很厉害；而在设计平衡功率放大器时，只要保证配对的功率晶体管性能一致，则合成网络可以改善由于单端功率放大器引起的失配。因此，平衡功率放大器在实现平坦功率增益和稳定性的同时，又有较好的匹配性能，通常可实现1个倍频程带宽，做得好时带宽接近2个倍频程。
（2）级间很易隔离，因此级间的调整工作量比较小。
（3）由于匹配性能好，反射小，因此电路工作稳定。
（4）当电路中某一个晶体管损坏时，仅仅使功率放大器总增益下降6dB，对有些系统，这种增益下跌还不会使系统受到致命打击。
（5）在线性功率放大器设计时，通常采用平衡功率放大器来改善线性指标。
（6）在实现多级功率放大器时，平衡功率放大器的调整比不平衡功率放大器要少得多。
在设计功率放大器时，为了实现增益平坦、
电路稳定及输出功率等指标，功率放大器
不可能完全匹配。为了改善功率放大器的
匹配性能，通常采用平衡功率放大器。
平衡功率放大器有许多优点：
（1）在设计单端功率放大器时，为了满足平坦增益及稳定性要求，失配往往很厉害；而在设计平衡功率放大器时，只要保证配对的功率晶体管性能一致，则合成网络可以改善由于单端功率放大器引起的失配。因此，平衡功率放大器在实现平坦功率增益和稳定性的同时，又有较好的匹配性能，通常可实现1个倍频程带宽，做得好时带宽接近2个倍频程。
（2）级间很易隔离，因此级间的调整工作量比较小。
（3）由于匹配性能好，反射小，因此电路工作稳定。
（4）当电路中某一个晶体管损坏时，仅仅使功率放大器总增益下降6dB，对有些系统，这种增益下跌还不会使系统受到致命打击。
（5）在线性功率放大器设计时，通常采用平衡功率放大器来改善线性指标。
（6）在实现多级功率放大器时，平衡功率放大器的调整比不平衡功率放大器要少得多。