ads阻抗匹配原理及負(fù)載阻抗匹配

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1、功率放大器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵：輸出匹配電路的性能2008-05-1517:51:20???作者：未知???來(lái)源:電子設(shè)計(jì)技術(shù)??關(guān)鍵字：功率放大器?匹配電路?匹配網(wǎng)絡(luò)?s參數(shù)?串聯(lián)電阻?輸出功率?Cout?耗散功率網(wǎng)絡(luò)分析儀?高Q值　　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?！　∫?yàn)檩敵銎ヅ潆娐凡⒉皇且粋€(gè)50Ω的元件，所

2、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?！　p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

3、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?！　±纾粋€(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)

4、中，損耗是首要問(wèn)題?！　『纳p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

5、。　　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?！　?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

6、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?！　∫?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

7、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?！　≡陔娐返哪M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?！　×硪环N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，50

8、Ω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?！　≌_的計(jì)算方法應(yīng)該是采用工作功率增益。用其他方法