介紹了一種分析同軸線變換器的新方法，建立了理想與通用模型,，降低了分析難度和簡化了分析過程,。通過研究分析，提出了一種同軸變換器與集總元件相結(jié)合的匹配電路設(shè)計方法,，通過優(yōu)化同軸線和集總元件的參數(shù),，實現(xiàn)放大器的最佳性能。利用該方法設(shè)計了一款應(yīng)用于推挽式功率放大電路的匹配電路,，仿真結(jié)果表明,，匹配效率高達99.93%.

　　阻抗變換器和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為射頻電路以及最大功率傳輸系統(tǒng)中的基本部件。為了使寬帶射頻功率放大器的輸入,、輸出達到最佳的功率匹配,，匹配電路的設(shè)計成為射頻功率放大器的重要任務(wù)。要實現(xiàn)寬帶內(nèi)的最大功率傳輸,，匹配電路設(shè)計非常困難,。本文設(shè)計的同軸變換器電路就能實現(xiàn)高效率的電路匹配。同軸變換器具有功率容量大,、頻帶寬和屏蔽好的特性,，廣泛應(yīng)用于VHF/UHF波段。常見的同軸變換器有1:4和1:9阻抗變換，如圖1所示,。但是實際應(yīng)用中,，線阻抗與負載不匹配時，它們的阻抗變換不再簡單看作1:4或1:9.本文通過建立模型,，提出一種簡化分析方法,。



　　1 同軸變換器模型

　　同軸變換器有三個重要參數(shù)：阻抗變換比、特征阻抗和電長度,。這里用電長度是為了分析方便,。當(dāng)同軸線的介質(zhì)和長度一定時，電長度就是頻率的函數(shù),，可以不必考慮頻率,。

　　1.1理想模型

　　理想的1:4變換器的輸入、輸出阻抗都匹配,，每根同軸線的輸入,、輸出阻抗等于其特征阻抗Z0,其等效模型如圖2所示。



　　其源阻抗Zg與ZL負載阻抗變換比為：



　　圖2和公式(1)表明：變換器的阻抗變換比等于輸入阻抗與輸出阻抗之比,。

　　同軸變換器的輸入阻抗等于同軸線的輸入阻抗并聯(lián),，輸出阻抗等于同軸線的輸出阻抗串聯(lián)。

　　1.2通用模型

　　由于特征阻抗是實數(shù),，而源阻抗與負載阻抗一般都是復(fù)數(shù),，所以，就不能簡單的用變換比來計算,。阻抗匹配就是輸入阻抗等于源阻抗的共軛,，實現(xiàn)功率的最大傳輸。特征阻抗為Z0,電長度為E的無耗同軸線接復(fù)阻抗的電路如圖3所示,。



　　由于源阻抗與同軸線特征不匹配,，電路的反射系數(shù)就不是負載反射系數(shù)。

由于同軸線是無耗的,，進入同軸線的功率就等于負載消耗的功率,。那就可以把電路簡化只有一個負載Zin,又因為Zg與Zin都是復(fù)數(shù)且串聯(lián)，就可以把Zg中的虛部等效到Zin中,，最后得到反射系數(shù)為：



　　其中：　　



　　當(dāng)反射系數(shù)為零時,，功率可以無反射的傳輸,，這時阻抗實現(xiàn)完全匹配,。

　　由公式(2)，反射系數(shù)為零可以等效為分子為零,，即：



　　其中：



　　當(dāng)E為90o時,，可得：



　　由于特征阻抗為實數(shù)，ZLZg*為實數(shù)時，方程才有解或才能完全匹配,。當(dāng)ZL和Zg為實數(shù)時,，就是常用的λ/4阻抗變換。

　　當(dāng)E不等于900,利用實部與虛部都等于零得方程組：



　　整理化簡得：



　　公式(3)說明,，不是任意兩個復(fù)阻抗都可以完全匹配,，必須滿足特征阻抗為正實數(shù);可以并聯(lián)或串聯(lián)電抗元件，使兩個不可能完全匹配的復(fù)阻抗完全匹配,。

　　通用模型是結(jié)合理想模型和同軸線分析建立,，如圖4所示。把1:N同軸變換器等效一根同軸線,，利用同軸線的分析結(jié)果,，更容易獲得特征阻抗和電長度參數(shù)。



　　特別對于利用同軸變換器設(shè)計的匹配電路,，可以簡化設(shè)計步驟,，減少工作量。

　　2 寬帶匹配電路的設(shè)計

　　通過對同軸變換器的分析,，可以通過調(diào)諧特征阻抗和電長度完成阻抗匹配,。

　　但是實際同軸線的特征阻抗是有一定規(guī)格的，不是任意的,，而且電長度又是隨頻率變化的,，所以采用同軸變換器和集總元件聯(lián)合實現(xiàn)寬帶匹配的方式。

　　2.1.集總元件匹配電路

　　復(fù)阻抗可以用電阻與電抗串聯(lián)表示,，也可以用電阻與電抗并聯(lián)表示,，這兩種表示的等效電路如圖5所示。



　　它們都是指同一個復(fù)數(shù),，其轉(zhuǎn)換關(guān)系為：



　　公式4表明,，電阻并聯(lián)電抗可以減小其復(fù)阻抗的實部，再串聯(lián)電抗抵消其虛部,，就可以實現(xiàn)Rp到RS阻抗匹配,。所需的電抗值可以通過表達式4計算，且Xp與XS取不同性質(zhì)的元件,，如果Xp用電容,，XS就用電感。

　　集總元件實現(xiàn)阻抗匹配原理：電阻并聯(lián)電抗減小其實部,，再串聯(lián)電抗抵消其虛部,，達到兩個純電路的匹配;當(dāng)匹配的不是純電阻時，可以采用抵消和吸納虛部的方法實現(xiàn)復(fù)阻抗的匹配,。

2.2聯(lián)合匹配電路

　　以Freescale公司MRF6VP2600推挽式MOSFET管的匹配電路設(shè)計為例,，首先確定匹配電路的基本結(jié)構(gòu)和同軸變換器的阻抗變換,，然后再確定特征阻抗、電長度和集總參數(shù),。由于輸入匹配電路設(shè)計與輸出匹配電路類似,，下面詳細研究輸出匹配電路設(shè)計。MRF6VP2600的DATASHEET給的源極-源極的輸出阻抗如圖6所示,。



　　圖6 MRF6VP2600的輸入-輸出阻抗

　　輸出匹配電路中,，由于功率管采用推挽式工作，所以在輸出端加入1:1巴倫實現(xiàn)不平衡-平衡變換,。利用通用模型,，下面的工作就簡化為同軸線與集總參數(shù)的匹配電路設(shè)計。同軸線的特征阻抗和電長度計算公式為：



　　式中,，Er為內(nèi)部填充介質(zhì)的相對介電常數(shù);D為外導(dǎo)體內(nèi)徑;d是內(nèi)導(dǎo)體外徑;為內(nèi)導(dǎo)體系數(shù),，單股內(nèi)導(dǎo)體時為1;C為空氣中光的速度;f為工作頻率，L為同軸線的長度,。

　　公式5表明,，電長度與頻率呈線性關(guān)系，且其長度越短,，電長度受頻率的影響越小,。

　　2.3仿真驗證

　　利用安捷倫公司的ADS工具進行輸出匹配電路設(shè)計與仿真，一般可采用大信號S參數(shù)仿真和諧波仿真,，由于本文設(shè)計用于推挽式工作的匹配電路,，所以選用更直觀的諧波平衡仿真。利用同軸線和巴倫的模型進行仿真的電路如圖7所示,。



　　圖7 仿真原理圖

由于圖7的負載阻抗的實部是隨頻率增減而減少,，所以在同軸變換器的兩端并聯(lián)電容?？梢院苋菀讓﹄娐愤M行手動調(diào)諧和自動優(yōu)化,，最后的仿真結(jié)果如圖8所示。



　　圖8 (87.5-108)Mhz匹配阻抗

　　由圖6,圖8可以得到各頻點的反射系數(shù);再根據(jù)反射系數(shù)與頻率的關(guān)系,，可以求得匹配電路在工作頻帶的反射系數(shù);最后根據(jù)匹配效率與反射系數(shù)的關(guān)系,，求得匹配電路的匹配效率。具體結(jié)果見表1,。

　　表1 反射系數(shù)與匹配效率的計算結(jié)果



　　從表1可以得到,，匹配電路的在工作頻段內(nèi)匹配效率達99.93%,實現(xiàn)了較好的匹配。

　　3總結(jié)

　　本文建立同軸變換器的理想模型和通用模型,，提出一種新穎的和簡單的分析方法,。通過分析，同軸線的特征阻抗和電長度對匹配電路的性能有很大影響,。設(shè)計了一款推挽式MOSFET管的輸出匹配電路,，仿真結(jié)果表明：匹配效率達99.93%.