微帶線傳輸阻抗匹配實(shí)例分析

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。

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(cè)，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：

根據(jù)獲得的阻抗信息進(jìn)行阻抗匹配電路設(shè)計(jì)，輸入輸出阻抗匹配的電路結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖2、輸入輸出阻抗匹配電路結(jié)構(gòu)

分別對(duì)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(cè)試回波損耗，測(cè)試結(jié)果如下：

在小信號(hào)環(huán)境下，匹配電路的功率傳輸性能良好。將匹配電路接到功放管的輸入輸出端，在大信號(hào)功率激勵(lì)下進(jìn)行功率和增益掃描：

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(lì)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(shí)的一個(gè)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(gè)方面因素的影響?；谄ヅ潆娐反蠊β蕚鬏?shù)目紤]，在選擇高頻板材時(shí)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(huì)因溫度逐漸上升而被損壞，鑒于此，功放電路板材在選取時(shí)應(yīng)該要有利于散熱設(shè)計(jì)。

Rogers公司的RT/duroid 5880板材產(chǎn)品型號(hào)歷史久遠(yuǎn)，成熟度及穩(wěn)定性高，同時(shí)具有可定制的特點(diǎn)。在定制該板材時(shí)可將上表面銅箔厚度指定為1oz，以提高實(shí)際電路的功率容量，而下表面則附2mm厚銅金屬層，為功放電路提供良好的散熱環(huán)境，減小因散熱不良引起溫升導(dǎo)致功放管擊穿的概率。筆者在工程實(shí)現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)采用RT/duroid 5880板材對(duì)整體提高功放電路的可靠性有很大的幫助。

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(hào)激勵(lì)功放，測(cè)試輸出功率：

優(yōu)化后的功放指標(biāo)滿足需求。再使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試微帶輸入輸出匹配電路：

圖6、優(yōu)化后阻抗匹配電路回波損耗測(cè)試曲線

從圖6測(cè)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(hào)工作環(huán)境下的指標(biāo)要求，但在小信號(hào)測(cè)試環(huán)境下指標(biāo)偏移了?？偠灾?，最終指標(biāo)實(shí)現(xiàn)后對(duì)匹配電路采用小信號(hào)與大信號(hào)兩種不同測(cè)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(shí)，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(duì)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。