微帶傳輸線阻抗匹配的應(yīng)用經(jīng)驗

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)計實例來看看微帶傳輸線阻抗匹配電路的設(shè)計過程中需要注意的問題。

微帶傳輸線阻抗匹配電路設(shè)計

現(xiàn)通過工程實例分析與大家分享微帶傳輸線阻抗匹配的應(yīng)用經(jīng)驗。使用一款MESFET功放管進(jìn)行功率放大器設(shè)計，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：

根據(jù)獲得的阻抗信息進(jìn)行阻抗匹配電路設(shè)計，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)

分別對輸入輸出阻抗匹配電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計完成后測試回波損耗，測試結(jié)果如下：

在小信號環(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，在大信號功率激勵下進(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)計完成后選用合適的高頻板材將電路工程實現(xiàn)。

可靠性是功放電路設(shè)計時的一個考慮要素。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。

使用定制的高頻板材進(jìn)行電路工程實現(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：

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)計是微帶傳輸線的主要工程應(yīng)用之一。

功放電路具有較強的非線性特性，其設(shè)計分析方法較為復(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現(xiàn)的關(guān)注重點。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，有針對性的滿足了這一實際需求。深入研究高頻板材的各項關(guān)鍵參數(shù)，了解其各項物理、電氣特性能夠幫助設(shè)計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