摘  要： 高頻C類功率放大器輸出網(wǎng)絡(luò)由LC匹配和濾波電路構(gòu)成,，是設(shè)計難點之一,。其難度在于功率放大器的輸出既要實現(xiàn)阻抗匹配又要濾除諧波分量，兩者同時實現(xiàn),，使問題復(fù)雜化,。本文利用MATLAB繪制其交流等效電路傳遞函數(shù)曲線，依據(jù)傳遞函數(shù)在基波和諧波頻率點的幅度大小來確定電路的方案和元件參數(shù),。提供了一個設(shè)計實例并在Multisim上仿真驗證,。仿真結(jié)果表明，該方法設(shè)計效率高,，簡單易行,。

　　關(guān)鍵詞： MATLAB；交流等效電路,；傳遞函數(shù)

0 引言

　　高頻功率放大器廣泛應(yīng)用于雷達(dá),、通信,、導(dǎo)航、廣播等電子設(shè)備中,，是通信系統(tǒng)發(fā)送裝置的重要組件,。高頻功率放大器按其工作頻帶劃分為窄帶放大器和寬帶放大器。窄帶放大器通常以選頻電路作為輸出回路,，故又稱為調(diào)諧放大器或諧振放大器,。按工作狀態(tài)的不同，功率放大器又可以分為A類,、B類,、C類、D類,、E類…,。A類放大器線性好，電路簡單,，但輸出效率低,；B類放大器比A類放大器效率略高，而C類放大器效率又高于B類,；D類和E類屬于開關(guān)型放大器,，這類放大器效率比C類更高，但工作機(jī)理與A,、B和C類不同,。就A、B和C三類放大器而言,，C類放大器的效率最高,，但由于它是非線性電路，波形易產(chǎn)生失真,。

　　C類放大器由于導(dǎo)通角小于90°,，集電極電流失真嚴(yán)重，輸出端需要配置濾波網(wǎng)絡(luò),，同時為了輸出最大功率，還要實現(xiàn)阻抗匹配,。匹配網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò)連在一起,，相互影響，如果設(shè)計不當(dāng)會使匹配網(wǎng)絡(luò)降低作用,，輸出功率大打折扣,，且波形失真不能消除，這是C類功率放大器設(shè)計的最大難點之一,。本文將C類放大器的輸出匹配和濾波網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為交流等效電路,，求出等效電路的整體傳遞函數(shù),，利用MATLAB繪制傳遞函數(shù)曲線。通過分析傳遞函數(shù)在基波上的增益和諧波上的衰減情況,，確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和元件參數(shù),，從而達(dá)到設(shè)計目的。該方法原理簡單,，計算公式少,，設(shè)計效率高且精度較高。

　　目前,，雖然市場上有多款商業(yè)電子仿真軟件在銷售,，為電路設(shè)計提供了便利條件，但這些軟件不能解決電路的優(yōu)化問題,，最佳方案和元件最佳參數(shù)還要靠設(shè)計者自己解決,。

1 電路方案選擇

　　C類功率放大器的電路形式很多[1-3]，圖1是常用電路之一,?；鶚O偏置電壓是零電壓或負(fù)電壓，輸入高頻信號（這里只給出原理性的簡化電路）由基極加入,。在集電極回路要解決直流饋電,、隔直、阻抗匹配和濾波等問題,。集電極一般通過一個扼流圈L（或抽頭變壓器）連接到電源,，以提供直流饋電并阻斷交流進(jìn)入電源。C是隔直兼耦合作用的電容,，防止負(fù)載回路對直流饋電造成短路,。交流信號由集電極通過C、匹配網(wǎng)絡(luò)和濾波網(wǎng)絡(luò)輸出到負(fù)載,，該饋電方式為并饋,。設(shè)計中，匹配網(wǎng)絡(luò)也可安排在濾波網(wǎng)絡(luò)之后,。匹配網(wǎng)絡(luò)一般有L型,、T型和Π型三種，L型匹配網(wǎng)絡(luò)形式最簡單,。這里的匹配網(wǎng)絡(luò)采用L型,，其交流等效電路如圖2所示。

2 確定元件參數(shù)

　　確定元件參數(shù)是設(shè)計的最終目標(biāo),。圖2中扼流圈L和耦合電容C一般憑經(jīng)驗選擇,，數(shù)值應(yīng)大一點，但也不能太大,，否則會影響集電極調(diào)幅（后面實現(xiàn)）的作用,。其次是設(shè)計匹配元件Cp和Lp,。從圖2交流等效電路可以看出，L和C也構(gòu)成L型網(wǎng)絡(luò),，如果數(shù)值合適也能起到阻抗匹配的作用,，所以沒必要用兩級匹配，可以去掉Cp和Lp,，由L和C兼做阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)（見圖3）,。下面根據(jù)工作頻率和輸出功率要求設(shè)計L和C。設(shè)放大器電源電壓24 V,，輸出功率2 W,，工作頻率10 MHz。因集電極飽和壓降Uces≥1.5 V（取2.5 V）,，故集電極等效負(fù)載電阻為：

　　選定C之后的等效負(fù)載電阻為50 Ω（與RL一致）,，則L和C求解如下：

　　該匹配網(wǎng)絡(luò)只是在諧振頻率上實現(xiàn)匹配，而在其他頻率上呈現(xiàn)高通特性,，對諧波沒有抑制作用,，后面必須加低通（或帶通）濾波器對諧波進(jìn)行壓制。

　　下一步設(shè)計濾波器,，在此選低通濾波器,。濾波器有多種成熟類型[4]，如巴特沃斯,、切比雪夫,、橢圓函數(shù)和定K型濾波器等，它們各有特點,。這些濾波器有規(guī)范的設(shè)計方法,，有圖表和曲線可供查詢，設(shè)計十分方便,。濾波器的階數(shù)根據(jù)截止頻率和帶外衰減（或矩形系數(shù)）來確定,。

　　因工作頻率為10 MHz，所以低通濾波器的截止頻率暫時選為15 MHz,。因帶外衰減（或矩形系數(shù)）沒做具體要求,，濾波器階數(shù)暫時選為4階，類型為巴特沃斯,。4階低通巴特沃斯濾波器有兩種形式,，它們的原始特性相同，但與匹配網(wǎng)絡(luò)連接后的特性就不一定相同了,，所以濾波網(wǎng)絡(luò)要考慮兩種結(jié)構(gòu)，如圖3所示,。

　　濾波元件的參數(shù)根據(jù)假設(shè)的截止頻率fc和負(fù)載電阻RL計算[2]如下：

　　其中g(shù)1和g2是查表[4]得到的巴特沃斯歸一化濾波器元件值,。至此輸出網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)均已確定,。下一步是求輸出網(wǎng)絡(luò)的整體傳遞函數(shù)。先求各元件的ABCD網(wǎng)絡(luò)矩陣,，例如L1和C2的矩陣參數(shù)分別為：

　　其他元件的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)求取方法同上,。則兩個網(wǎng)絡(luò)的總矩陣分別是各矩陣級聯(lián)：

　　根據(jù)ABCD網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的定義，A參數(shù)的倒數(shù)即為該網(wǎng)絡(luò)的電壓傳遞函數(shù),，即：

　　取模則分別為：

　　G1=|H1|,，G2=|H2|

　　它們是頻率的函數(shù)。用MATLAB繪制G1和G2曲線,，如圖4所示,。觀察兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)，它們在3次以上諧波（≥30 MHz）的衰減相當(dāng),；在基波（10 MHz）上的增益G1大于G2,，預(yù)示著G1的輸出功率大于G2；在2次諧波（20 MHz）上G1比G2的衰減大,，預(yù)示著G1電路的波形失真小于G2,，所以應(yīng)該選擇G1對應(yīng)的濾波器。選擇的原則是：基波上的幅度越大越好而諧波的幅度越小越好,，如果這兩點未達(dá)要求,，需調(diào)整截止頻率或增加濾波器階數(shù)，直至滿意,。最終設(shè)計結(jié)果如圖5所示,。

3 Multisim仿真

　　為了驗證電路設(shè)計的正確性，用Multisim10對圖5進(jìn)行仿真,。輸出波形如圖6所示,，負(fù)載電壓幅度為13.5 V，計算輸出功率為1.82 W,，接近設(shè)計值,，效率為82.7%。

　　C類功率放大器可產(chǎn)生調(diào)幅波輸出,，其電路分為基極調(diào)幅和集電極調(diào)幅,。基極調(diào)幅所需驅(qū)動功率小,，但線性范圍小,，不易調(diào)整。集電極調(diào)幅線性范圍大,，但所需驅(qū)動功率較大,。在此設(shè)計了一個集電極調(diào)幅電路，并用Multisim10進(jìn)行仿真,，電路如圖7所示,。

　　集電極調(diào)幅電路應(yīng)工作于過壓狀態(tài),，最大輸出應(yīng)設(shè)計在臨界狀態(tài)。T1為1：1音頻變壓器,，設(shè)置方法見參考文獻(xiàn)[5],，調(diào)制信號頻率為10 kHz。前級驅(qū)動電路簡化為V1信號源,。輸出波形如圖8所示,。

4 結(jié)論

　　利用MATLAB編程對C類功率放大器輸出網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可以快速確定電路方案和元件參數(shù),，大大減輕功率放大器設(shè)計的工作量,，提高了工作效率。

　　該方法不僅可以用于放大器輸出網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計,，也可以用于級間網(wǎng)絡(luò)設(shè)計,。不僅可以用于C類功率放大器設(shè)計，也可以為其他調(diào)諧功率放大器設(shè)計作參考,。

　　在本實例中,，沒有考慮晶體管的輸出電容，輸出電容對匹配電路有一定影響,，如要考慮輸出電容,，只要在電流源的后端加一個并聯(lián)電容即可，設(shè)計結(jié)果將更加精確,。晶體管輸出電容是一個變化值,，與晶體管偏置狀態(tài)有關(guān)。即使不考慮晶體管輸出電容,，輸出波形也已經(jīng)相當(dāng)理想,。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 于洪珍.通信電子線路（第1版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

　　[2] 馬鵬飛．高性能低功耗射頻功率放大器的設(shè)計[D].西安：西安電子科技大學(xué),，2007.

　　[3] 林云,，曾浩，胡文江.射頻通信電路[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社,，2009.

　　[4] REINHOLDLUDWIG.射頻電路設(shè)計—理論與應(yīng)用[M].王子宇,，王心悅，譯.北京：電子工業(yè)出版社,，2002.

　　[5] 高磊.Multisim變壓器參數(shù)分析與應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用,，2014，33（14）：85-87.