功率放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵：輸出匹配電路的性能

對(duì)于任何功率放大器（功率放大器）設(shè)計(jì)，輸出匹配電路的性能都是個(gè)關(guān)鍵。但是，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，有一個(gè)問(wèn)題常常為人們所忽視，那就是輸出匹配電路的功率損耗。這些功率損耗出現(xiàn)在匹配網(wǎng)絡(luò)的電容器、電感器，以及其他耗能元件中。功率損耗會(huì)降低功率放大器的工作效率及功率輸出能力。

因?yàn)檩敵銎ヅ潆娐凡⒉皇且粋€(gè)50Ω的元件，所以耗散損失與傳感器增益有很大的區(qū)別。輸出匹配的具體電路不同，損耗也不一樣。對(duì)于設(shè)計(jì)者而言，即使他沒(méi)有選擇不同技術(shù)的余地，在帶寬和耗散損失之間，在設(shè)計(jì)方面仍然可以做很多折衷。
匹配網(wǎng)絡(luò)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗變化的，就像是功率從一個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)傳送另一個(gè)系統(tǒng)或者子系統(tǒng)，RF設(shè)計(jì)者們?cè)谶@上面下了很大的功夫。對(duì)于功率放大器，阻抗控制著傳送到輸出端的功率大小，它的增益，還有它產(chǎn)生的噪聲。因此，功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是性能達(dá)到最優(yōu)的關(guān)鍵。

損耗有不同的定義，但是這里我們關(guān)心的是在匹配網(wǎng)絡(luò)中，RF功率以熱量的形式耗散掉的損耗。這些損耗掉的功率是沒(méi)有任何用途。依據(jù)匹配電路功能的不同，損耗的可接受范圍也不同。對(duì)功率放大器來(lái)講，輸出匹配損耗一直是人們關(guān)注的問(wèn)題，因?yàn)檫@牽涉到很大的功率。效率低不僅會(huì)縮短通話時(shí)間，而且還會(huì)在散熱和可靠性方面帶來(lái)很大的問(wèn)題。
例如，一個(gè)GSM功率放大器工作在3.5V電壓時(shí)，效率是55%，能夠輸出34dBm的功率。在輸出功率為最大時(shí)，功率放大器的電流為1.3A。匹配的損耗在0.5dB到1dB的數(shù)量級(jí)，這與輸出匹配的具體電路有關(guān)。在沒(méi)有耗散損失時(shí)，功率放大器的效率為62%到69%。盡管損耗是無(wú)法完全避免的，但是這個(gè)例子告訴我們，在功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)中，損耗是首要問(wèn)題。
耗散損失

現(xiàn)在我們來(lái)看一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，研究一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)（圖1a）中的耗散損失。電源通過(guò)無(wú)源匹配網(wǎng)絡(luò)向無(wú)源負(fù)載傳輸功率。在電源和負(fù)載阻抗之間沒(méi)有任何其他的限制。把匹配網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載合在一起考慮，電源輸出一個(gè)固定量的功率Pdel到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)（圖1b）。輸出功率的一部分以熱量的形式耗散在匹配網(wǎng)絡(luò)中。而其余的則傳輸?shù)截?fù)載。Pdel是傳輸?shù)狡ヅ渚W(wǎng)絡(luò)和負(fù)載（圖 1c）上的總功率，PL是傳輸?shù)截?fù)載的那部分功率。

了解了這兩個(gè)量，我們就可以知道，實(shí)際上到底有多大的一部分功率是作為有用功率從電源傳輸?shù)搅素?fù)載，其比例等于PL/Pdel。
這是對(duì)功率放大器輸出匹配的耗散損失的正確測(cè)量，因?yàn)樗豢紤]了實(shí)際傳輸功率以及耗散功率。反射功率沒(méi)有計(jì)算進(jìn)去。
由此可知，這個(gè)比例就等于匹配網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)的功率增益GP。而工作時(shí)的功率增益完整表達(dá)式為：

這里，是負(fù)載反射系數(shù)，是匹配網(wǎng)絡(luò)的s參數(shù)，損失就是增益的倒數(shù)。因此，耗散損失可以定義為：
Ldiss = 1/GP。
對(duì)于功率放大器而言，我們?yōu)樗O(shè)計(jì)的負(fù)載一般是50Ω。通常，我們用來(lái)測(cè)量s參數(shù)的系統(tǒng)阻抗也是50Ω。如果系統(tǒng)阻抗和負(fù)載都是50Ω，那么就為0，于是，上面的表達(dá)式就可以簡(jiǎn)化為：

在計(jì)算一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)的耗散損失時(shí)，只需要知道它的傳輸值和反射散射參數(shù)的大小，這些可以很容易地從s參數(shù)的計(jì)算過(guò)程中得到，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)分析儀通常都會(huì)采用線性的方式來(lái)顯示s參數(shù)的值。在評(píng)估輸入和級(jí)間耗散損失時(shí)，負(fù)載的阻抗不是50Ω，但是上述的規(guī)律依然適用。
因?yàn)榉瓷浜秃纳p失很容易混淆，射頻工程師有時(shí)就會(huì)采用錯(cuò)誤的方法來(lái)計(jì)算耗散損失。而最糟糕的方法就是采用未經(jīng)處理的s21來(lái)進(jìn)行計(jì)算。一個(gè)典型的匹配網(wǎng)絡(luò)在1GHz（圖 2）時(shí)，對(duì)功率放大器而言，是數(shù)值為4+j0Ω的負(fù)載阻抗。匹配網(wǎng)絡(luò)采用的是無(wú)損耗元件來(lái)進(jìn)行模擬的，所以在匹配網(wǎng)絡(luò)中不存在功率的耗散問(wèn)題。然而， s21卻是-6dB，因?yàn)樵?0Ω的源阻抗和4Ω的負(fù)載之間存在著巨大的不匹配問(wèn)題。作為一個(gè)無(wú)損耗網(wǎng)絡(luò)，除了一些數(shù)字噪音外，模擬的耗散損失為0dB。
在電路的模擬當(dāng)中，我們可能可以采用s21來(lái)求出正確的耗散損失。這一過(guò)程包括采用復(fù)雜模擬負(fù)載線的共軛阻抗來(lái)作為源阻抗。由于耗散損失和源阻抗并沒(méi)有關(guān)系，所以，這是一個(gè)正確的方法，但是不便于使用。
另一種通用的方法就是采用電路模擬器中的最大增益來(lái)計(jì)算。由于這一測(cè)量采用了ADS，所以它用起來(lái)比較方便。但是，它有可能會(huì)得到錯(cuò)誤的答案。在一個(gè)只有 50Ω串聯(lián)電阻的簡(jiǎn)單電路里，顯然，負(fù)載也是50Ω，50Ω串聯(lián)電阻的耗散損失是3dB，因?yàn)閭鬏敼β适蔷纸o了串聯(lián)電阻和負(fù)載（表1）。在這個(gè)例子當(dāng)中，模擬器可以選擇1GΩ的負(fù)載阻抗。當(dāng)50Ω的電阻和1GΩ負(fù)載串聯(lián)在一起時(shí)，它上面的電壓降非常低，而功率的耗散也非常的少。
正確的計(jì)算方法應(yīng)該是采用工作功率增益。用其他方法可能也能得到相同的結(jié)果，但是不能保證一定可以得到結(jié)果。當(dāng)負(fù)載為50Ω時(shí)，要得到工作功率增益，是非常簡(jiǎn)單的，我們沒(méi)有理由不用它。

輸出匹配電路

輸出匹配的具體電路不同，最終的損失也不同。在微波頻譜的低端，傳輸線占據(jù)了太多的空間，所以采用了集總元件的方法。在一個(gè)功率放大器模塊的典型輸出匹配電路中，使用大容量的隔直電容器來(lái)防止直流電流從功率放大器電源流到負(fù)載中去（圖2）。用表面貼裝電容器和印制電感器以及表面貼裝電感器組成的兩節(jié)低通匹配網(wǎng)絡(luò)，可以將50Ω的名義負(fù)載阻抗轉(zhuǎn)化成合適的負(fù)載線。而負(fù)載線的設(shè)置是根據(jù)指定的功率放大器輸出功率和可用的電源電壓。手機(jī)放大器的負(fù)載線變化范圍為 1Ω到5Ω。
我們可以采用標(biāo)準(zhǔn)的或高Q值電容器。還有另一個(gè)正在逐漸流行起來(lái)的做法就是采用集成電容。在許多工藝技術(shù)（包括GaAs 和CMOS）中，高品質(zhì)的金屬-高介電質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)存電容器都是可以用的。有一家供應(yīng)商提供不使用任何表面貼裝元件的完整的GSM功率放大器模塊，所有的匹配網(wǎng)絡(luò)使用的都是引腳框架走線和集成電容。除了可以減小尺寸外，采用集成電容在成本方面有它的優(yōu)勢(shì)，這點(diǎn)可以通過(guò)采用更好的生產(chǎn)線、降低裝配的復(fù)雜性、節(jié)省物流工作，以及縮短交貨時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。

把損失降到最低

即使設(shè)計(jì)者無(wú)法選擇不同的技術(shù)，在帶寬和耗散損失之間，他們?nèi)匀豢梢杂泻艽罂臻g可以在設(shè)計(jì)方面進(jìn)行折衷。要想了解一個(gè)輸出匹配的損耗機(jī)制，有一個(gè)辦法，就是采用無(wú)損耗元件來(lái)模擬匹配，然后每次在一個(gè)元件上引入損耗機(jī)制（表2）。
電容器的品質(zhì)因數(shù)與它的電容量是成反比的。要想使輸出匹配的耗散損失達(dá)到最小，那么在輸出匹配中，Cl的值就必須盡可能地小。折衷是在帶寬和耗散損失之間做出的。
對(duì)于一個(gè)功率放大器的效率而言，耗散損失是非常關(guān)鍵的。耗散損失的值就等于匹配網(wǎng)絡(luò)工作功率增益的倒數(shù)，而與源阻抗的任何特性都沒(méi)有關(guān)系。當(dāng)負(fù)載阻抗為50Ω時(shí)，耗散損失的計(jì)算公式非常簡(jiǎn)單，且很容易應(yīng)用在設(shè)計(jì)上。
也有其他的方式可以測(cè)量輸出匹配的損耗，但是這些測(cè)量方法有時(shí)會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)果。在輸出匹配電路上，采用不同的電容器技術(shù)會(huì)帶來(lái)不同的損失。集成電容非常適合用在低損失輸出匹配上。即使已經(jīng)選定了電容器技術(shù)，在帶寬和耗散損失之間還是存在著很大的空間在設(shè)計(jì)方面進(jìn)行折衷。

表 1  50Ω串聯(lián)電阻的耗散損失
模擬結(jié)果 -3.5 dB
最大增益 0.0 dB
Gp -3.0 dB

 

表 2  輸出匹配的機(jī)械損耗
有損失的元件 在1GHz時(shí)耗散損失
L1 0.17 dB
C1 0.66 dB
L2 0.15 dB
C2 0.11 dB
Cout 0.03 dB
總計(jì) 1.11 dB

圖1  為計(jì)算求匹配網(wǎng)絡(luò)的耗散損失而構(gòu)造的網(wǎng)絡(luò)（a）。把匹配網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載一起考慮，電源輸出一定數(shù)值的功率到這個(gè)復(fù)合網(wǎng)絡(luò)（b）中。當(dāng)電源輸出Pdel到匹配網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)時(shí)，PL是傳輸?shù)截?fù)載的那部分功率（c）。

圖2  一個(gè)典型的匹配網(wǎng)絡(luò)在1GHz時(shí)，對(duì)功率放大器來(lái)講，是一個(gè)數(shù)值為4+ j0Ω的的負(fù)載阻抗。匹配網(wǎng)絡(luò)采用的是無(wú)損耗元件來(lái)進(jìn)行模擬，所以在匹配網(wǎng)絡(luò)中，沒(méi)有功率的耗散出現(xiàn)