功率放大器性能受匹配電路諧波特性的影響

袁正昊　于春永

摘? 要：匹配電路設計與功率放大器使用質量有密切關聯，是功率放大器應用關注重點因素。由于匹配電路諧波特性會對功率放大器性能產生一定影響，因此為保證放大器應用質量，需要做好影響分析與管控。通過對功率放大器基本情況的介紹，對匹配電路諧波特性對功率放大器性能的影響展開深層次論述，旨在做好匹配電路諧波影響控制，實現理想化功率放大器應用效果。

關鍵詞：匹配電路;諧波特性;匹配設計;功率放大器性能

中圖分類號：TN722 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）06-0063-02

Abstract： The design of matching circuit is closely related to the quality of power amplifier， which is the key factor in the application of power amplifier. As the harmonic characteristics of the matching circuit will have a certain impact on the performance of the power amplifier， in order to ensure the application quality of the amplifier， it is necessary to do a good job of impact analysis and control. Through the introduction of the basic situation of the power amplifier， this paper deeply discusses the influence of the harmonic characteristics of the matching circuit on the performance of the power amplifier， in order to control the harmonic influence of the matching circuit and realize the idealized application effect of the power amplifier.

Keywords： matching circuit; harmonic characteristics; matching design; performance of power amplifier

實施高水平匹配電路設計，是保證功率最大功率傳輸質量的關鍵。在具體展開匹配電路設計過程中，設計人員不僅要做好匹配因素分析，同時還要將諧波特性對于放大器性能的影響考慮到其中，應通過合理分析展開影響控制方案編制，以將諧波特性影響控制在最低，保證功率放大器使用性能。為保證影響分析全面性、科學性，在正式展開影響研究前，需要先對功率放大器基本情況展開分析，以為后續研究做好鋪墊。

1 功率放大器

1.1 定義與組成

（1）定義：功率放大器是指在給定失真率環境中，產生最大功率輸出對某一負載實施驅動的放大器[1]。是電路設計中的重要組成器件，會對電路正常使用以及使用性能提升產生直接影響。（2）組成：一般功率放大器主要由末級功率放大器、前置放大器以及驅動放大器三部分內容所組成。其中前置放大器輸入阻抗相對較高，能夠實現對前面信號的大規模吸收，完成低阻抗輸出，可實現對信號數據的高質量傳輸，自身屬于電流放大器設備，能夠將輸入電壓信號轉化為電流信號，并對其展開適當放大處理;驅動放大器可實現對前置放大器傳輸電流信號的進一步放大，可將信號處理成為中等功率信號，對末級功率放大器實施驅動，保證末級功率放大器信號傳輸質量;而末級功率放大器是放大器應用關鍵部分，可完成對接收信號的合理處理，將其轉化為大功率信號，是影響功率放大器技術指標的關鍵要素[2]。

1.2 工作原理

在對公路放大器實施應用過程中，會通過對場效應管電壓控制作用或三極管電流控制作用的運用，實現對電源功率的轉換，將其轉化為根據輸入信號進行變化的電流。就聲音本質而言，聲音的波的頻率與振幅并不相同，屬于交流信號電流，三極管集電極電流一直是基極電流β倍，而β代表三級管交流放大倍數數值，所以將小信號輸入到基極之中，集電極流過電流便會相當于是基極電流β倍，此時運用隔直電容對此信號實施隔離，便可獲得是原先β倍的電壓或電流大信號，此現象被稱之為是三極管放大作用。電流的持續性放大，實現了功率放大的目標。

2 諧波特性的影響

2.1 影響分析必要性

匹配電路設計對功率放大器（以下簡稱放大器）影響極為明顯，匹配電路反射系數的差異，會使放大器功率附加效率、輸出功率以及駐波等產生較大差異。匹配電路基波反射系數會對放大器性能產生一定影響，且電路諧波反射系數的變化，也會直接造成電路性能出現波動，特別在飽和輸出功率附加效率與飽和輸出功率上影響最為明顯[3]。傳統放大器設計主要以優化方式為主，此種設計方式對于諧波對放大器性能的影響并沒有給出定量分析結果，單一使用此種設計方式實施放大器設計，可能會出現設計結果不理想的狀況。鑒于此，做好諧波特性影響分析顯得尤為必要。

2.2 影響具體分析

2.2.1 整體分析思路

在此將通過對阻抗牽引法的運用，對匹配電路基波特性影響展開分析，并會展開諧波特性對放大器性能影響研究，獲得定量分析結果，展開設計實例探討。本次設計運用FET為4.8mm片狀場效應晶體管，主要是針對900MHz以下低壓高效功率放大器設備。在對阻抗牽引法實施應用過程中，會通過對整體阻抗圓圖平面內電路性能的分析，明確最優性能匹配電路所具備的各項特性，從而獲得最佳電路設計方案。此種分析手段可實現對匹配電路諧波頻率的高質量分析，能夠獲得諧波特性對于電路性能影響定量分析結果，會為放大器設計與運用提供可靠數據支持。

2.2.2 分析過程

為保證分析質量，本次會運用專業軟件對電路展開阻抗牽引分析。通過對軟件的運用，可在實現對電路實施基波頻率負載牽引的同時，在多種諧波頻率上展開負載牽引操作。（1）基波頻率源阻抗牽引與負載牽引。設放大器是一級設備，運用4.8mm片狀場效應晶體管，將漏偏置設為3V、柵偏置設為-1.5V，電感反饋為源接0.8nH。為保證效率附加效率以及功率增益，對電路輸入功率18dBm，并在此環境中實施源阻抗牽引、基波頻率負載牽引。通過對功率附加效率與功率增益的折中考量，確定本次選用負載阻抗為0.6∠180°，源阻抗0.5∠90°。（2）對諧波頻率實施阻抗牽引。在對諧波頻率實施阻抗牽引過程中，會將基波頻率中的負載阻抗與源阻抗分別設置為0.6∠180°、0.5∠90°。在完成阻抗設置后，便可展開電路圖繪制。通過對電路圖的分析可以發現，短路線以及開路線的運用，主要可以起到諧波頻率與基波頻率的源阻抗、負載阻抗不會相互干擾的作用。在經過牽引處理后，輸入功率仍然保持為18dBm，沒有發生變動。由此可知，匹配電路諧波頻率阻抗數值與電路功率附加效率、增益有密切關聯，不同阻抗值會對兩者產生極大影響;但在小信號環境中實施源阻抗以及負載牽引，匹配電路諧波頻率阻抗值對于小信號效益的影響并不明顯，可以忽略不計，并不能將放大器功率運用真實情況直觀反映出來。（3）出于對最大功率附加效率的考慮，設負載阻抗以及源阻抗分別為0.99∠-130°、0.99∠-150°，在此會將阻抗幅值調整到最大。通過對電路功率特性的分析發現，理想電路最大功率附加效率為58%，飽和輸出功率為29dBm。

3 電路實現

在得到諧波、基波的源阻抗以及負載數值之后，便可展開匹配電路設計。電路結構為低通結構模式，通過對電路功率特性的分析可以發現，電路最大功率附加效率為58%，飽和輸出功率數值29dBm，和理想電路數值結果相符合。同時，電路輸入輸出駐波比保持在1.8以下。電路諧波阻抗對于功率放大器的性能影響相對較大，尤其會對放大器在非線性狀態時的工作性能產生極大影響。如果放大器處于小信號工作狀態時，電路諧波阻抗對放大器性能所形成的影響則會保持在微乎其微的狀態。鑒于此，可通過對匹配線路基波、諧波阻抗實施科學設計的方式，保證電路駐波比、功率輸出性能以及功率附加效率，進而為放大器高質量運用創造出更多有利條件。

4 功率放大器的匹配設計

由于放大器應用和其匹配設計有密切關聯，所以在展開匹配電路設計研究的同時，還要做好匹配設計詳細分析，以求通過科學設計，達到理想化功率放大器應用模式。放大器匹配設計主要分為四部分內容，具體內容如下：（1）結構設計。設輸出功率要求在53 dbm以上，輸出信號在3 db左右，按照要求放大器整體爭議需要保持在50 db以上。在進行設計時，需要將最小衰減損耗考慮到其中，要保證在出現損耗之后，放大器各項性能仍然可以滿足設計要求標準。在此選擇三級放大結構設計模式，分別展開末級、前置以及驅動放大器設置，信號在經過三級電路放大處理之后，會經過輸出端的禍合器后輸出。禍合信號在經過檢波以及衰減處理之后，會轉化成電壓信號，會在經過處理后和溫度取樣信號一起，被輸入到控制芯片之中，進而得到控制信號，實現對放大器輸出行為的控制。在進行設計過程中，需要對放大器輸出功率以及工作效率展開充分分析，要在進行第一極放大器設計時，要對高線性度以及高增益展開合理分析，而在進行第二級放大器功能設計時，需要通過獲取信號驅動功率，達到末級芯片輸入要求。（2）功放器件選擇。科學的器件選擇，可在有效降低設計難度以及成本投入的同時，保證設計周期合理性，會對匹配設計以及放大器應用產生積極影響。在明確總體目標之后，需要對各級子電路參數指標展開設置，并展開功率晶體管選擇。在進行功放器件選擇時，要保證電氣指標富余量，滿足外圍電路以及功放晶體管所產生的消耗。所選功放晶體管工作頻率要與相應應用要求相符，要保證晶體管電流容量、駐波承受能力以及容易匹配度，并要保證器件功率增益水平，以便通過對大功率增益器件的運用，達到提高效率以及降低成本的目標。（3）放大器仿真。由于考慮到匹配電路損耗以及壓控衰減器最小衰減，可通過實施放大器整體增益仿真的方式，獲得直觀結果，以便展開后續設計。在進行仿真過程中，設定放大器功率增益處于最差狀況，壓控衰減器保持在最小衰減狀態，在此條件下如果出現輸出駐波惡化的狀況，可通過對衰減器的調節完成功率輸出控制任務，進而為后續電路提供保護。在明確器件以及設計指標后，便可展開放大器特性仿真設計操作，完成器件模型建設，并將其導入到ADS模型庫之中。同時需要按照功放設計要求以及相關說明，展開放大器靜態工作點設置。（4）壓控衰減器設計。在此將以丌二型衰減器為依據，展開寬帶壓控衰減器設計。設計所用二極管主要包括兩個負極相連低失真二極管，二極管不僅截至頻率較低且線性度較為理想。在寄生電感影響下，壓控衰減器上限功率在3GHz左右，衰減電路運用二極管替代R3，可實現對偏置網絡的有效簡化，保證最大衰減數值提升質量，可切實消除信號內偶次諧波失真問題，滿足各項設計要求，設計較為理想。

5 結束語

通過本文對功率放大器以及放大器匹配電路相關內容的闡述，使我們對功率放大器以及匹配電路諧波特性對放大器的影響有了更加清晰的認知。研究人員應明確認識到功率放大器在電路設計中所起到的重要作用，要在明確放大器基本情況的基礎上，對諧波特性影響展開深層次分析，并按照分析結果展開匹配設計，進而實現理想化放大器匹配設計目標，確保功率放大器所具備各項優勢可以在電路設計中得到最大限度發揮，從而達到預期設計要求。

參考文獻：

[1]張書源，鐘世昌.基于諧波抑制的內匹配高效GaN功率放大器設計[J].電子器件，2019，42（03）：608-612.

[2]南敬昌，胡婷婷，高明明，等.基于雙向牽引與諧波抑制的Doherty功率放大器設計[J].微波學報，2019（3）：61-67.

[3]靳新元.淺析高次諧波對SS4型機車RC阻容吸收電路的影響及對策[J].軌道交通裝備與技術，2018（4）：27-31.