隨著射頻技術(shù)的發(fā)展,研究人員對一個射頻電路的要求日益增高,對于設(shè)計(jì)出的射頻電路需要達(dá)到的效果也有著嚴(yán)格的把控。
其中,在高頻電路中,如何高效地傳輸功率是一項(xiàng)重要的考慮因素。因內(nèi)部的電路特性使然,高頻功放管的輸入輸出阻抗與系統(tǒng)傳輸需求的特性阻抗偏差較大,使其在高頻鏈路中不能完全發(fā)揮性能,靈活地使用微帶傳輸線進(jìn)行阻抗匹配可以很好的解決這一問題。
今天我們就借助一個設(shè)計(jì)實(shí)例來看看微帶傳輸線阻抗匹配電路的設(shè)計(jì)過程中需要注意的問題。
微帶傳輸線阻抗匹配電路設(shè)計(jì)
現(xiàn)通過工程實(shí)例分析與大家分享微帶傳輸線阻抗匹配的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。使用一款MESFET功放管進(jìn)行功率放大器設(shè)計(jì),該功率放大器的工作頻率為5.3GHz~5.5GHz,輸出功率為8W,增益為9dB。
閱讀功放管器件手冊,其主要指標(biāo)及參數(shù)的典型值如下:
P1dB=39.5dBm;
G1dB=9.5dB;
ηadd=36%。
其輸入輸出阻抗曲線如下圖所示:
圖1、功放管輸入輸出阻抗曲線
從曲線中提取5.3GHz~5.5GHz的頻率范圍內(nèi)輸入輸出阻抗,如下表所示:
圖2、輸入輸出阻抗匹配電路結(jié)構(gòu)
分別對輸入輸出阻抗匹配電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)完成后測試回波損耗,測試結(jié)果如下:
圖3、功放電路特性曲線
掃描結(jié)果顯示,功放電路在功率激勵下的輸出功率和增益不足。我們首先優(yōu)化輸入阻抗匹配電路參數(shù)來提高增益,再優(yōu)化輸出匹配電路參數(shù)使其滿足輸出功率最大的條件。電路優(yōu)化后再次進(jìn)行功率和增益掃描:
圖4、優(yōu)化后功放電路特性曲線
優(yōu)化后功放電路的飽和功率輸出大于8W,增益大于9dB,滿足指標(biāo)要求。電路設(shè)計(jì)完成后選用合適的高頻板材將電路工程實(shí)現(xiàn)。
可靠性是功放電路設(shè)計(jì)時的一個考慮要素。功放電路可靠性主要受傳輸線功率容量、匹配電路功率反射、功放散熱環(huán)境等幾個方面因素的影響。
基于匹配電路大功率傳輸?shù)目紤],在選擇高頻板材時需要增加傳輸線的銅箔厚度以提高功率容量,改善傳輸線的散熱條件。微帶匹配電路的成品率很大程度受到高頻板材一致性的影響。
為減小匹配電路因參數(shù)漂移而導(dǎo)致功率反射造成功放損壞現(xiàn)象出現(xiàn)的概率,高頻板材的參數(shù)需穩(wěn)定且批量一致性好。
若不散熱,功放電路會因溫度逐漸上升而被損壞,鑒于此,功放電路板材在選取時應(yīng)該要有利于散熱設(shè)計(jì)。
使用定制的高頻板材進(jìn)行電路工程實(shí)現(xiàn),優(yōu)化后的功放管微帶傳輸線阻抗匹配電路:
圖5、功放管微帶線阻抗匹配電路
提取電路結(jié)構(gòu)尺寸、板材參數(shù)等信息,制造微帶電路。用30dBm的信號激勵功放,測試輸出功率:
圖6、優(yōu)化后阻抗匹配電路回波損耗測試曲線
從圖6測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的匹配電路回波損耗反而變差了,這是由于優(yōu)化后的匹配電路更能滿足功放管在大信號工作環(huán)境下的指標(biāo)要求,但在小信號測試環(huán)境下指標(biāo)偏移了。
總而言之,最終指標(biāo)實(shí)現(xiàn)后對匹配電路采用小信號與大信號兩種不同測試分析方法而表現(xiàn)出的兩種不同結(jié)果。
總結(jié)
高頻功放的阻抗匹配電路設(shè)計(jì)是微帶傳輸線的主要工程應(yīng)用之一。
功放電路具有較強(qiáng)的非線性特性,其設(shè)計(jì)分析方法較為復(fù)雜,需要靈活地使用微帶傳輸線進(jìn)行阻抗匹配電路設(shè)計(jì)與優(yōu)化,以滿足功率放大器的指標(biāo)要求。滿足指標(biāo)的同時,可靠性也是功放電路工程實(shí)現(xiàn)的關(guān)注重點(diǎn)。Rogers公司的高頻板材RT/duroid 5880 因其高穩(wěn)定性、優(yōu)良的批量一致性以及可定制化的特點(diǎn),有針對性的滿足了這一實(shí)際需求。深入研究高頻板材的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù),了解其各項(xiàng)物理、電氣特性能夠幫助設(shè)計(jì)人員做出性能更加優(yōu)良、可靠性更高的產(chǎn)品。
審核編輯:湯梓紅
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原文標(biāo)題:微帶傳輸線阻抗匹配電路設(shè)計(jì)
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