功率放大器性能受匹配电路谐波特性的影响

袁正昊　于春永

摘  要：匹配电路设计与功率放大器使用质量有密切关联，是功率放大器应用关注重点因素。由于匹配电路谐波特性会对功率放大器性能产生一定影响，因此为保证放大器应用质量，需要做好影响分析与管控。通过对功率放大器基本情况的介绍，对匹配电路谐波特性对功率放大器性能的影响展开深层次论述，旨在做好匹配电路谐波影响控制，实现理想化功率放大器应用效果。

关键词：匹配电路;谐波特性;匹配设计;功率放大器性能

中图分类号：TN722 文献标志码：A         文章编号：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

實施高水平匹配电路设计，是保证功率最大功率传输质量的关键。在具体展开匹配电路设计过程中，设计人员不仅要做好匹配因素分析，同时还要将谐波特性对于放大器性能的影响考虑到其中，应通过合理分析展开影响控制方案编制，以将谐波特性影响控制在最低，保证功率放大器使用性能。为保证影响分析全面性、科学性，在正式展开影响研究前，需要先对功率放大器基本情况展开分析，以为后续研究做好铺垫。

1 功率放大器

1.1 定义与组成

（1）定义：功率放大器是指在给定失真率环境中，产生最大功率输出对某一负载实施驱动的放大器[1]。是电路设计中的重要组成器件，会对电路正常使用以及使用性能提升产生直接影响。（2）组成：一般功率放大器主要由末级功率放大器、前置放大器以及驱动放大器三部分内容所组成。其中前置放大器输入阻抗相对较高，能够实现对前面信号的大规模吸收，完成低阻抗输出，可实现对信号数据的高质量传输，自身属于电流放大器设备，能够将输入电压信号转化为电流信号，并对其展开适当放大处理;驱动放大器可实现对前置放大器传输电流信号的进一步放大，可将信号处理成为中等功率信号，对末级功率放大器实施驱动，保证末级功率放大器信号传输质量;而末级功率放大器是放大器应用关键部分，可完成对接收信号的合理处理，将其转化为大功率信号，是影响功率放大器技术指标的关键要素[2]。

1.2 工作原理

在对公路放大器实施应用过程中，会通过对场效应管电压控制作用或三极管电流控制作用的运用，实现对电源功率的转换，将其转化为根据输入信号进行变化的电流。就声音本质而言，声音的波的频率与振幅并不相同，属于交流信号电流，三极管集电极电流一直是基极电流β倍，而β代表三级管交流放大倍数数值，所以将小信号输入到基极之中，集电极流过电流便会相当于是基极电流β倍，此时运用隔直电容对此信号实施隔离，便可获得是原先β倍的电压或电流大信号，此现象被称之为是三极管放大作用。电流的持续性放大，实现了功率放大的目标。

2 谐波特性的影响

2.1 影响分析必要性

匹配电路设计对功率放大器（以下简称放大器）影响极为明显，匹配电路反射系数的差异，会使放大器功率附加效率、输出功率以及驻波等产生较大差异。匹配电路基波反射系数会对放大器性能产生一定影响，且电路谐波反射系数的变化，也会直接造成电路性能出现波动，特别在饱和输出功率附加效率与饱和输出功率上影响最为明显[3]。传统放大器设计主要以优化方式为主，此种设计方式对于谐波对放大器性能的影响并没有给出定量分析结果，单一使用此种设计方式实施放大器设计，可能会出现设计结果不理想的状况。鉴于此，做好谐波特性影响分析显得尤为必要。

2.2 影响具体分析

2.2.1 整体分析思路

在此将通过对阻抗牵引法的运用，对匹配电路基波特性影响展开分析，并会展开谐波特性对放大器性能影响研究，获得定量分析结果，展开设计实例探讨。本次设计运用FET为4.8mm片状场效应晶体管，主要是针对900MHz以下低压高效功率放大器设备。在对阻抗牵引法实施应用过程中，会通过对整体阻抗圆图平面内电路性能的分析，明确最优性能匹配电路所具备的各项特性，从而获得最佳电路设计方案。此种分析手段可实现对匹配电路谐波频率的高质量分析，能够获得谐波特性对于电路性能影响定量分析结果，会为放大器设计与运用提供可靠数据支持。

2.2.2 分析过程

为保证分析质量，本次会运用专业软件对电路展开阻抗牵引分析。通过对软件的运用，可在实现对电路实施基波频率负载牵引的同时，在多种谐波频率上展开负载牵引操作。（1）基波频率源阻抗牵引与负载牵引。设放大器是一级设备，运用4.8mm片状场效应晶体管，将漏偏置设为3V、栅偏置设为-1.5V，电感反馈为源接0.8nH。为保证效率附加效率以及功率增益，对电路输入功率18dBm，并在此环境中实施源阻抗牵引、基波频率负载牵引。通过对功率附加效率与功率增益的折中考量，确定本次选用负载阻抗为0.6∠180°，源阻抗0.5∠90°。（2）对谐波频率实施阻抗牵引。在对谐波频率实施阻抗牵引过程中，会将基波频率中的负载阻抗与源阻抗分别设置为0.6∠180°、0.5∠90°。在完成阻抗设置后，便可展开电路图绘制。通过对电路图的分析可以发现，短路线以及开路线的运用，主要可以起到谐波频率与基波频率的源阻抗、负载阻抗不会相互干扰的作用。在经过牵引处理后，输入功率仍然保持为18dBm，没有发生变动。由此可知，匹配电路谐波频率阻抗数值与电路功率附加效率、增益有密切关联，不同阻抗值会对两者产生极大影响;但在小信号环境中实施源阻抗以及负载牵引，匹配电路谐波频率阻抗值对于小信号效益的影响并不明显，可以忽略不计，并不能将放大器功率运用真实情况直观反映出来。（3）出于对最大功率附加效率的考虑，设负载阻抗以及源阻抗分别为0.99∠-130°、0.99∠-150°，在此会将阻抗幅值调整到最大。通过对电路功率特性的分析发现，理想电路最大功率附加效率为58%，饱和输出功率为29dBm。

3 电路实现

在得到谐波、基波的源阻抗以及负载数值之后，便可展开匹配电路设计。电路结构为低通结构模式，通过对电路功率特性的分析可以发现，电路最大功率附加效率为58%，饱和输出功率数值29dBm，和理想电路数值结果相符合。同时，电路输入输出驻波比保持在1.8以下。电路谐波阻抗对于功率放大器的性能影响相对较大，尤其会对放大器在非线性状态时的工作性能产生极大影响。如果放大器处于小信号工作状态时，电路谐波阻抗对放大器性能所形成的影响则会保持在微乎其微的状态。鉴于此，可通过对匹配线路基波、谐波阻抗实施科学设计的方式，保证电路驻波比、功率输出性能以及功率附加效率，进而为放大器高质量运用创造出更多有利条件。

4 功率放大器的匹配设计

由于放大器应用和其匹配设计有密切关联，所以在展开匹配电路设计研究的同时，还要做好匹配设计详细分析，以求通过科学设计，达到理想化功率放大器应用模式。放大器匹配设计主要分为四部分内容，具体内容如下：（1）结构设计。设输出功率要求在53 dbm以上，输出信号在3 db左右，按照要求放大器整体争议需要保持在50 db以上。在进行设计时，需要将最小衰减损耗考虑到其中，要保证在出现损耗之后，放大器各项性能仍然可以满足设计要求标准。在此选择三级放大结构设计模式，分别展开末级、前置以及驱动放大器设置，信号在经过三级电路放大处理之后，会经过输出端的祸合器后输出。祸合信号在经过检波以及衰减处理之后，会转化成电压信号，会在经过处理后和温度取样信号一起，被输入到控制芯片之中，进而得到控制信号，实现对放大器输出行为的控制。在进行设计过程中，需要对放大器输出功率以及工作效率展开充分分析，要在进行第一极放大器设计时，要对高线性度以及高增益展开合理分析，而在进行第二级放大器功能设计时，需要通过获取信号驱动功率，达到末级芯片输入要求。（2）功放器件选择。科学的器件选择，可在有效降低设计难度以及成本投入的同时，保证设计周期合理性，会对匹配设计以及放大器应用产生积极影响。在明确总体目标之后，需要对各级子电路参数指标展开设置，并展开功率晶体管选择。在进行功放器件选择时，要保证电气指标富余量，满足外围电路以及功放晶体管所产生的消耗。所选功放晶体管工作频率要与相应應用要求相符，要保证晶体管电流容量、驻波承受能力以及容易匹配度，并要保证器件功率增益水平，以便通过对大功率增益器件的运用，达到提高效率以及降低成本的目标。（3）放大器仿真。由于考虑到匹配电路损耗以及压控衰减器最小衰减，可通过实施放大器整体增益仿真的方式，获得直观结果，以便展开后续设计。在进行仿真过程中，设定放大器功率增益处于最差状况，压控衰减器保持在最小衰减状态，在此条件下如果出现输出驻波恶化的状况，可通过对衰减器的调节完成功率输出控制任务，进而为后续电路提供保护。在明确器件以及设计指标后，便可展开放大器特性仿真设计操作，完成器件模型建设，并将其导入到ADS模型库之中。同时需要按照功放设计要求以及相关说明，展开放大器静态工作点设置。（4）压控衰减器设计。在此将以丌二型衰减器为依据，展开宽带压控衰减器设计。设计所用二极管主要包括两个负极相连低失真二极管，二极管不仅截至频率较低且线性度较为理想。在寄生电感影响下，压控衰减器上限功率在3GHz左右，衰减电路运用二极管替代R3，可实现对偏置网络的有效简化，保证最大衰减数值提升质量，可切实消除信号内偶次谐波失真问题，满足各项设计要求，设计较为理想。

5 结束语

通过本文对功率放大器以及放大器匹配电路相关内容的阐述，使我们对功率放大器以及匹配电路谐波特性对放大器的影响有了更加清晰的认知。研究人员应明确认识到功率放大器在电路设计中所起到的重要作用，要在明确放大器基本情况的基础上，对谐波特性影响展开深层次分析，并按照分析结果展开匹配设计，进而实现理想化放大器匹配设计目标，确保功率放大器所具备各项优势可以在电路设计中得到最大限度发挥，从而达到预期设计要求。

参考文献：

[1]张书源，钟世昌.基于谐波抑制的内匹配高效GaN功率放大器设计[J].电子器件，2019，42（03）：608-612.

[2]南敬昌，胡婷婷，高明明，等.基于双向牵引与谐波抑制的Doherty功率放大器设计[J].微波学报，2019（3）：61-67.

[3]靳新元.浅析高次谐波对SS4型机车RC阻容吸收电路的影响及对策[J].轨道交通装备与技术，2018（4）：27-31.