功率放大器設(shè)計的關(guān)鍵：輸出匹配電路的性能

對于任何功率放大器（功率放大器）設(shè)計，輸出匹配電路的性能都是個關(guān)鍵。但是，在設(shè)計過程中，有一個問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。功率損耗會降低功率放大器的工作效率及功率輸出能力。

因為輸出匹配電路并不是一個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。對于設(shè)計者而言，即使他沒有選擇不同技術(shù)的余地，在帶寬和耗散損失之間，在設(shè)計方面仍然可以做很多折衷。
匹配網(wǎng)絡(luò)是用來實現(xiàn)阻抗變化的，就像是功率從一個系統(tǒng)或子系統(tǒng)傳送另一個系統(tǒng)或者子系統(tǒng)，RF設(shè)計者們在這上面下了很大的功夫。對于功率放大器，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。對功率放大器來講，輸出匹配損耗一直是人們關(guān)注的問題，因為這牽涉到很大的功率。效率低不僅會縮短通話時間，而且還會在散熱和可靠性方面帶來很大的問題。
例如，一個GSM功率放大器工作在3.5V電壓時，效率是55%，能夠輸出34dBm的功率。在輸出功率為最大時，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，這與輸出匹配的具體電路有關(guān)。在沒有耗散損失時，功率放大器的效率為62%到69%。盡管損耗是無法完全避免的，但是這個例子告訴我們，在功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)中，損耗是首要問題。
耗散損失

現(xiàn)在我們來看一個網(wǎng)絡(luò)，研究一個匹配網(wǎng)絡(luò)（圖1a）中的耗散損失。電源通過無源匹配網(wǎng)絡(luò)向無源負(fù)載傳輸功率。在電源和負(fù)載阻抗之間沒有任何其他的限制。把匹配網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載合在一起考慮，電源輸出一個固定量的功率Pdel到這個網(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。

了解了這兩個量，我們就可以知道，實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。
這是對功率放大器輸出匹配的耗散損失的正確測量，因為它只考慮了實際傳輸功率以及耗散功率。反射功率沒有計算進(jìn)去。
由此可知，這個比例就等于匹配網(wǎng)絡(luò)工作時的功率增益GP。而工作時的功率增益完整表達(dá)式為：

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。還有另一個正在逐漸流行起來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，這點可以通過采用更好的生產(chǎn)線、降低裝配的復(fù)雜性、節(jié)省物流工作，以及縮短交貨時間來實現(xiàn)。

把損失降到最低

即使設(shè)計者無法選擇不同的技術(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)計方面進(jìn)行折衷。要想了解一個輸出匹配的損耗機(jī)制，有一個辦法，就是采用無損耗元件來模擬匹配，然后每次在一個元件上引入損耗機(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。
對于一個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有關(guān)系。當(dāng)負(fù)載阻抗為50Ω時，耗散損失的計算公式非常簡單，且很容易應(yīng)用在設(shè)計上。
也有其他的方式可以測量輸出匹配的損耗，但是這些測量方法有時會得到錯誤的結(jié)果。在輸出匹配電路上，采用不同的電容器技術(shù)會帶來不同的損失。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時耗散損失
L10.17 dB
C10.66 dB
L20.15 dB
C20.11 dB
Cout0.03 dB
總計1.11 dB