基于小信號(hào)S參數(shù)的功率放大器設(shè)計(jì)
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目前,微波功率放大器的設(shè)計(jì)方法主要有以下幾種:
(1)動(dòng)態(tài)阻抗測(cè)量法。在實(shí)際的工作條件下,使用儀器測(cè)量功率管的動(dòng)態(tài)輸入阻抗以及輸出阻抗。通常輸出功率越大的功率管的輸入輸出阻抗越低,因此不容易得到準(zhǔn)確數(shù)值。
(2)負(fù)載牽引測(cè)試法?,F(xiàn)在有專門測(cè)量負(fù)載牽引用的儀器,把功率管裝配到測(cè)試架上,接到負(fù)載牽引的儀器上面,使用儀器改變放大器輸出端口的匹配負(fù)載,測(cè)量不同負(fù)載下的增益和輸出功率。這些數(shù)據(jù)可以直接在電腦上存取,使用方便,比過去使用的負(fù)載牽引的測(cè)試方法要簡(jiǎn)單,但是該儀器價(jià)格比較昂貴,只有專業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)管子的廠家才會(huì)配備。
(3)非線性分析法。如果能得到功率管的大信號(hào)非線性模型,可以使用軟件的非線性仿真功能來確定比較合適的負(fù)載阻抗和源阻抗,從而得到功率管的非線性性能。管子模型的建立比較困難,但是建模以后再次使用會(huì)比較方便。
(4)小信號(hào)S參數(shù)分析法。在小信號(hào)設(shè)計(jì)中確定最佳輸出阻抗通常使用負(fù)載線法,負(fù)載線法的主要工作是計(jì)算功率管的負(fù)載線,在使用的電壓確定的情況下,根據(jù)輸出功率參考功率器件資料中給定的電流-電壓曲線可以得到該曲線,從而確定出最佳輸出阻抗的實(shí)部。該方法使用仿真軟件就可以進(jìn)行,不需要昂貴的儀器,適用于大多數(shù)的設(shè)計(jì)情況。
除了高線性的功率放大器外,大部分的功放是工作在大信號(hào)狀態(tài)的,屬于非線性器件。理想情況下,設(shè)計(jì)者應(yīng)該使用功率管的大信號(hào)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),但在大部分情況下,設(shè)計(jì)者很難獲得功率管的大信號(hào)參數(shù),器件廠商提供的只有小信號(hào)S參數(shù)以及靜態(tài)I~V曲線。采用小信號(hào)S參數(shù)之前,首先根據(jù)I~V曲線計(jì)算出最大功率輸出時(shí)功率管的負(fù)載電阻,再通過匹配電路對(duì)功率管輸出電路進(jìn)行匹配,就能夠得到最大的輸出功率。同時(shí)也需要對(duì)輸入電路進(jìn)行匹配,以得到較高的增益和良好的駐波特性。
1 小信號(hào)法設(shè)計(jì)步驟
首先把功率管的小信號(hào)S參數(shù)輸入到仿真軟件,對(duì)其增益和輸入匹配電路進(jìn)行優(yōu)化,再利用功率管的I~V曲線確定器件在最大輸出功率時(shí)的漏極實(shí)部阻抗R。R既可以通過測(cè)量得到,也可以通過器件靜態(tài)I~V性來確定。一般來說輸出阻抗純實(shí)部負(fù)載阻抗R外,還有虛部阻抗,因此需要在在漏源之間并聯(lián)一個(gè)電容CDS。器件在封裝的時(shí)候會(huì)引入很多寄生元件,如果不考慮這些寄生元件得到的匹配電路通常都是不正確的,因此需要確定出封裝器件的這些寄生元件。從器件的小信號(hào)S參數(shù)提取則是一種比較方便實(shí)現(xiàn)的方法,為了減小工作量,通常使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行仿真。下面以Fujitsu公司的FLLl77ME為例說明功率放大器的小信號(hào)S參數(shù)設(shè)計(jì)方法。
2 小信號(hào)S參數(shù)法設(shè)計(jì)功率放大器實(shí)例
2.1 輸出電路匹配
(1)根據(jù)功率管I~V曲線,計(jì)算最大功率輸出時(shí)的負(fù)載線實(shí)部電阻R。
其中,VD是漏極的偏置電壓;VS為拐點(diǎn)電壓,約為2 V;Idss是飽和漏電流。
根據(jù)富士通公司給的FLLl77ME的資料的靜態(tài)I~V曲線,計(jì)算電阻最佳負(fù)載線可得VD=10 V;VS=1.8 V;Idss=0.6 A,則R=22.8 Ω。
(2)輸出端匹配的確定
只有正確的優(yōu)化輸出電路,才能得到最大的輸出功率,為了得到準(zhǔn)確的R,輸出匹配電路應(yīng)包含管子的封裝參數(shù),其中包括管子CDS和漏極、源極所有寄生元件,并建立輸出電路仿真模型。從引言中我們知道從功率管的小信號(hào)S參數(shù)中可以取得封裝功率管的寄生元件。在軟件中建立模型的時(shí)候,這些封裝參數(shù)都需要用電路元件替代。建立好的功率管的輸出電路模型如圖l所示。
想要得到最大的輸出功率,必須對(duì)管子的匹配電路進(jìn)行優(yōu)化,應(yīng)先把管子的封裝寄生元件確定。使用測(cè)量和EM仿真對(duì)于一般設(shè)計(jì)者來說是比較困難,因此采用從小信號(hào)S參數(shù)中提取的方法。通常這些寄生的元件可模擬成串聯(lián)在柵極、漏極和源極的電感、電阻電路。該仿真模型的電原理圖使用Agilent公司的ADS軟件建立并分析。用ADS軟件的優(yōu)化功能調(diào)整改模型的S參數(shù),使其和器件給定的小信號(hào)S參數(shù)基本相同,這樣就可以使用得到該管子比較準(zhǔn)確的寄生元件的數(shù)值。
2.2 輸入端匹配的確定
除了對(duì)輸出端進(jìn)行匹配外,還需要對(duì)輸入端進(jìn)行匹配,輸入端的匹配可以提高管子的增益,并且對(duì)輸出功率影響較小。采用常用的二段阻抗變換線作為輸入匹配電路,同時(shí)采用共扼匹配可以得到較高的增益,在仿真過程中要考慮尺寸突變帶來的電磁影響。
2.3 整個(gè)電路的仿真優(yōu)化
在對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),重要的一點(diǎn)就是原來的功率管必須使用前面擬真出來的的S參數(shù)文件代替,擬真出的S參數(shù)文件的模型是一個(gè)兩端口元件,輸入、輸出匹配電路分別接到這個(gè)兩端口元件的兩端。輸入匹配電路將50 Ω的源阻抗變換后匹配到功率管的柵極,輸出匹配電路將漏極的輸出阻抗匹配后變換為50 Ω的負(fù)載阻抗。同時(shí)匹配電路的分布參數(shù)也對(duì)頻率有影響,因此合適的匹配電路就是能在需要的頻率和帶寬內(nèi)使管子輸出最大的功率,并且具有較高的增益。整個(gè)仿真圖見圖2。
3 結(jié)束語
通過實(shí)際制作出功率放大器,測(cè)得功率放大器的增益為11.5 dB,1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率為32.3 dBm。根據(jù)FLLl77ME給的資料P1dB典型值為32.5 dBm,G1dB典型值為12.5 dB。由此可以看出匹配電路基本達(dá)到了資料給的數(shù)值。本電路是按照最佳輸出功率匹配的,所以輸出功率較大,但是增益有所降低。由測(cè)試結(jié)果可以看出,本放大器制作還是比較成功的。小信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)主要是簡(jiǎn)單易用,不需要專業(yè)的儀器和復(fù)雜的建模,比較合適制作飽和功放。在線性功放制作時(shí)由于不能對(duì)線性指標(biāo)(比如P1dB)等進(jìn)行直接計(jì)算,可能導(dǎo)致結(jié)果有偏差,因此設(shè)計(jì)者還需要依靠調(diào)試或者經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的修正。