宽带射频功率放大器的匹配电路设计

1、技术专题 /RADIO & TELEVISION INFORMATIONNetwork Technology / RADIO & TELEVISION INFORMATION RADIO & TELEVISION INFORMATION RADIO & TELEVISION INFORMATION宽带射频功率放大器的匹配电路设计文/安徽省广播电视科研所 宫为保/摘要：介绍了一种分析同轴线变换器的新方法，建立了理想与通用模型，降低了分析难度和简化了分析过程。通过研究分析，提出了一种同轴变换器与集总元件相结合的匹配电路设计方法，通过优化同轴线和集总元件的参数，实现放大器的最佳性能。利用该方法设计了

2、一款应用于推挽式功率放大电路的匹配电路，仿真结果表明，匹配效率高达99.93%。关键词：宽带射频 同轴变换器 匹配电路 巴伦阻抗变换器和阻抗匹配网络已经成为射频电路以及最大功率传输系统中的基本部件。为了使宽带射频功率放大器的输入、输出达到最佳的功率匹配，匹配电路的设计成为射频功率放大器的重匹配电路设计非常困难。本文设计的同轴变换器电路就能实现高效率的电路匹配。同轴变换器具有功率容量大、频带宽和屏蔽好的特性，广泛应用于VHF/UHF波段。常见的同轴变换器有1：4和1：9阻抗变换，如图1所示。但是实际应用中，线阻抗与负载不匹配时，它们的阻抗变换不再简单看作1：4或1：9。本文通过建立模型，提出一种

3、简化分析方法。2所示。其源阻抗Zg与ZL负载阻抗变换比1 同轴变换器模型同轴变换器有三个重要参数：阻抗长度是为了分析方便。当同轴线的介质和长度一定时，电长度就是频率的函数，可以不必考虑频率。要任务。要实现宽带内的最大功率传输，变换比、特征阻抗和电长度。这里用电1.1 理想模型理想的1：4变换器的输入、输出阻抗都匹配，每根同轴线的输入、输出阻抗等于其特征阻抗Z0，其等效模型如图单的仪器测试便能定位。处理硬件如PON口光模块、ONU、OLT单板等故障时，可以通过反复替换正常硬件与故障硬件来判断故障源查找是否正确。如果定位准确，更换硬件后故障立即得到解决；如属于ODN问题的，只需要通过光功率计或OT

4、DR对ODN链路进行逐级测量便能即时定位并解决故障。硬件故障往往定位比较简单，但有些硬件故障查起来比较费功夫，这就需要维护人员对EPON系统有足够全面的了解并能具备清晰地分析思路，从而尽快缩小故障范围直至定位故障源。软件故障主要是指EPON设备厂家提供的运行软件存在有BUG，必须通过升级程序版本来解决相关问题，这类问题一般属于厂家职责范畴，一旦发现必须通知厂家尽快解决。认为故障一般是由于认为原因如连错线、配错数据、用错软件版本等造成的故障。为把此类故障降低至最低限度，应该在操作过程中认真、仔细地做好每个环节。同时加强集中网管人员的操作权限，严格限制无关人员操作或相关人员越权操作。4 结束语EP

5、ON技术的成熟，以及EPON系统的投资成本节省、建设维护简便等特点，使其越来越被广大广电运营商所青睐，利用EPON进行我们广电系统的IP城域网的建设将是一项长期而艰巨的系统工程。而与有线电视网络相结合的EPON系统则更具有其他宽带IP网络无法比拟的性能，必将帮助广电系统带来新的飞跃。68 /RADIO & TELEVISION INFORMATION / 2010年9月 / 无线技术 /RADIO & TELEVISION INFORMATION RADIO & TELEVISION INFORMATION RADIO & TELEVISION INFORMATIONNetwork Techn

6、ology / RADIO & TELEVISION INFORMATION部等效到Zin中，最后得到反射系数为：(2)其中，为：Zg:ZL=Zin:Zout=(Z0/Z0):(Z0+Z0) =1:4 (1)图2和公式（1）表明：变换器的阻抗变换比等于输入阻抗与输出阻抗之比。同轴变换器的输入阻抗等于同轴线的输入阻抗并联，输出阻抗等于同轴线的输出阻抗串联。当反射系数为零时，功率可以无反射的传输，这时阻抗实现完全匹配。由公式（2），反射系数为零可以等效为分子为零，即：等效一根同轴线，利用同轴线的分析结果，更容易获得特征阻抗和电长度参数。特别对于利用同轴变换器设计的匹配电路，可以简化设计步骤，减少工

7、作量。2 宽带匹配电路的设计通过对同轴变换器的分析，可以通过调谐特征阻抗和电长度完成阻抗匹配。但是实际同轴线的特征阻抗是有一定规格的，不是任意的，而且电长度又是随频率变化的，所以采用同轴变换器和集总元件联合实现宽带匹配的方式。2.1. 集总元件匹配电路复阻抗可以用电阻与电抗串联表示，也可以用电阻与电抗并联表示，这两种其中，表示的等效电路如图5所示。它们都是指同一个复数，其转换关可得：当E为90o时，由于特征阻抗为实数，ZLZg*为实数时，方程才有解或才能完全匹配。当ZL和Zg为实数时，就是常用的/4阻抗变换。当E不等于900，利用实部与虚部都等于零得方程组：整理化简得：（4）公式4表明，电阻并

8、联电抗可以减小其复阻抗的实部，再串联电抗抵消其虚部，就可以实现Rp到RS阻抗匹配。所需的电抗值可以通过表达式4计算，且Xp与XS取不同性质的元件，如果Xp用电容，XS就用电感。集总元件实现阻抗匹配原理：电阻并联电抗减小其实部，再串联电抗抵消其虚部，达到两个纯电路的匹配；当匹配的不是纯电阻时，可以采用抵消和吸纳虚部的方法实现复阻抗的匹配。系为：1.2 通用模型由于特征阻抗是实数，而源阻抗与负载阻抗一般都是复数，所以，就不能简单的用变换比来计算。阻抗匹配就是输入阻抗等于源阻抗的共轭，实现功率的最大传输。特征阻抗为Z0，电长度为E的无耗同轴线接复阻抗的电路如图3所示。由于源阻抗与同轴线特征不匹配，电

9、路的反射系数就不是负载反射系数。由于同轴线是无耗的，进入同轴线的功率就等于负载消耗的功率。那就可以把电路简化只有一个负载Zin，又因为Zg与Zin都是复数且串联，就可以把Zg中的虚（3）公式（3）说明，不是任意两个复阻抗都可以完全匹配，必须满足特征阻抗为正实数；可以并联或串联电抗元件，使两个不可能完全匹配的复阻抗完全匹配。通用模型是结合理想模型和同轴线分析建立，如图4所示。把1：N同轴变换器 / 2010年9月 / RADIO & TELEVISION INFORMATION/69技术专题 /RADIO & TELEVISION INFORMATIONNetwork Technology /

10、RADIO & TELEVISION INFORMATION RADIO & TELEVISION INFORMATION RADIO & TELEVISION INFORMATION面详细研究输出匹配电路设计。MRF6VP2600的DATASHEET给的源极-源极的输出阻抗如图6所示。输出匹配电路中，由于功率管采用推挽式工作，所以在输出端加入1：1巴伦实现不平衡平衡变换。利用通用模型，下面的工作就简化为同轴线与集总参数的匹配电路设计。同轴线的特征阻抗和电长度计算公式为：所示。由图6，图8可以得到各频点的反射系数；再根据反射系数与频率的关系，可以求得匹配电路在工作频带的反射系数；最后根据匹配效

11、率与反射系数的关系，求得匹配电路的匹配效率。具体结果见表1。从表1可以得到，匹配电路的在工作频段内匹配效率达99.93%，实现了较好的匹配。3 总结本文建立同轴变换器的理想模型和通用模型，提出一种新颖的和简单的分析方法。通过分析，同轴线的特征阻抗和电长度对匹配电路的性能有很大影响。设计了一款推挽式MOSFET管的输（5）式中，Er为内部填充介质的相对介电常数；D为外导体内径；d是内导体外径； 为内导体系数，单股内导体时为1；C为空气中光的速度；f为工作频率，L为同轴线的长度。公式5表明，电长度与频率呈线性关系，且其长度越短，电长度受频率的影响越小。出匹配电路，仿真结果表明：匹配效率达99.93

12、%。参考文献1高葆新,胡南山,洪兴楠等编. 微波集成电路M . 北京:国防工业出版社, 1995. 2122231.2郑新,李文辉,潘厚忠等编. 雷达发射机技术M . 北京:电子工业出版社, 2008. 1272148.3杨贤松. 用ADS进行宽带微波功放的仿真设计 J .通信对抗, 2006, 1: 55257.4Agilest technologies. Ad-vanced Design System Documen2 stationOL . www. Agilent. com, 20035Reinhold Ludwig,Pavel Bretchko著,王子宇等译. 射频电路设计- 理论与应用M . 北京:电子工业出版社,2003. 2882294.6蒋拥军,潘厚忠. S波段超宽带固态功率放大器的研制 J . 微波学报, 2005, 4: 101 103.7Stephen A Maas. Nonlinear Microwave and RF circuits.Artic House, 2003.2.2 联合匹配电路以Freescale公司MRF6VP2600推挽式MOSFET管的匹配电路设计为例，首先确定匹配电路的基本结构和同轴变换器的阻抗变换，然后再确定特征阻抗、电长度和集总参数。由于输入匹配电路设计与输出匹配电路类似，下2.3 仿真验证利用安捷伦公司的ADS工具进