CN104935285B - 一种输出阻抗匹配结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种输出阻抗匹配结构，属于射频微波电路领域。本发明公开了一种用于行波管自动测试系统的超宽带功放阻抗匹配结构。本发明采用带通的输出匹配电路，通过测量出功放芯片的输出阻抗，根据阻抗计算出等效电阻和电容，根据所需匹配的频率和带宽，利用相关公式计算出对应匹配结构的元件数值。本匹配结构具有回波损耗和插入损耗小、平坦度好等特点，特别适用于行波管测试系统中的超宽带功放匹配设计。

Description

一种输出阻抗匹配结构

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，具体涉及一种超宽带功放输出阻抗匹配结构。

背景技术

行波管热测工序的饱和功率测试是行波管生产过程中的一项重要工作，也是质量控制的重要环节，行波管自动测试系统主要应用于该项工作中，代替人工手动操控，由设备完成最主要的测试部分工作(寻找功率饱和点)。超宽带射频功率放大器是行波管自动测试系统中不可或缺的一部分，它将信号源功率在一个频段内放大，用于测试行波管的饱和功率。在放大器的设计过程中，输出匹配电路主要解决以下问题：

1、增益及平坦度主要是能使放大器的增益指标最大限度发挥出来，且增益在一定频带内变化不大；

2、功率传输阻抗匹配是为了在一定带宽范围内使放大器达到最佳功率传输状态；

3、驻波比由于频带较宽，且晶体管阻抗在整个工作频带内变化较大，匹配电路较难设计。

发明内容

为了完善上述问题，本发明的主要目的在于提供一种超宽带射频功率放大器的输出匹配结构，其采用带通的输出匹配电路，不仅实现了放大器的高增益、良好的平坦度以及改善了驻波比的目的，而且减少了功率传输中的损耗，提高了整体电路在工作频带内的性能。

本发明具体采用如下技术方案：

一种输出匹配结构，其结构如图1所示，包括电感L₁、电感L₂、电感L₃、电容C₁、电容C₂及电容C₃，该匹配结构可实现输出端阻抗为R_out的目标电路与阻抗为R_L的负载之间的阻抗匹配；

所述电感L₂的一端通过节点A连接至所述目标电路的输出端，其另一端通过节点B与电容C₂连接，所述电容C₂的另一端通过节点C与所述负载连接；

所述电感L₁的一端与节点A连接，电容C₁的一端与节点B连接，电容C₃的一端及电感L₃的一端均与节点C连接，所述电感L₁、电容C₁、电容C₃、电感L₃的另一端均接地。

与现有技术相比，本发明提供了一种超宽带射频功率放大器的输出匹配结构，其采用带通的输出匹配电路，不仅实现了放大器的高增益、良好的平坦度以及改善了驻波比的目的，而且减少了功率传输中的损耗，提高了放大器在工作频带内的性能。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图。

图2为本发明的一种实施实例电路示意图。

图3为本实施例电路的S11在smith圆图上的分布。

图4为本实施例电路的S11测试曲线图。

图5为本实施例电路的S21测试曲线图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式。

实施例

本实施例提供一种采用本发明输出阻抗匹配结构的超宽带射频功率放大器，其工作频率范围f₁-f₂具体为6GHz-18GHz，其结构如图2所示。本发明应用于射频晶体管的漏极与标准50欧姆负载之间，包括：第一电感L₁、第二电感L₂、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第三电感L₃，其中第一电感L₁一端与第二电感L₂相连，另一端接地，第一电容C₁一端与第二电容C₂相连，另一端接地；第三电容C₃与第三电感L₃一端与第二电容C₂相连，另一端接地；

所述功率放大器还包括：

偏置电路，用于为晶体管提供偏置电压；

输出匹配电路，一端与该偏置电路输出端和晶体管漏极相连，另一端与负载相连，用于匹配晶体管与负载间的阻抗以实现放大器的高增益、良好的平坦度以及改善驻波比的目的，而且减少了功率传输中的损耗，提高了放大器在工作频带内的性能；

所述输出匹配结构包括第一电感L₁、第二电感L₂、第一电容C₁组成的谐振电路对晶体管进行阻抗匹配；

所述输出匹配结构还包括第二电容C₂，该电容连接于晶体管漏极和负载之间，不仅用于阻抗匹配，还有阻隔直流信号对晶体管的影响的作用；

所述输出匹配结构还包括第三电容C₃和第三电感L₃组成的并联谐振电路，用于对晶体管进行阻抗匹配。

进一步的，所述电感L₁、电感L₂、电感L₃、电容C₁、电容C₂及电容C₃的具体取值可由以下公式确定：

其中，R₀即为所述目标电路的输出阻抗R_out，ω₁＝2πf₁、ω₂＝2πf₂、Δω＝ω₂-ω₁，参量ω、ω₀、D由以下公式确定：

其中，Q∈[0.5，2]，理论上Q的取值越小越好，但其实际取值需结合该功放所采用晶体管的具体参数，r₃为方程16x³+16x²+(3+12c²)x-(3+4c²)＝0的实数解，参量k(1)、k(2)由以下公式确定：

本实施例采用的部分参数及各元件计算所得的具体取值如下：

Q＝1.2，R_L＝50Ω，f₁＝6GHz，f₂＝18GHz；

C1＝91.5f F，C2＝0.367pF，C3＝0.125pF；

L1＝0542nH，L2＝0.511nH，L3＝1.184nH；

本实施实例所用到的晶体管M是基于HEMT工艺的GaN管，可以工作在6～18GHz的频段。首先应利用负载牵引技术得出晶体管M在各个频点的输出阻抗，选取合适的阻抗作为整个频段内的输出阻抗；利用输出阻抗求出晶体管等效输出端电阻和电容，确定工作频率范围的上、下边频以及相关参数后可以计算出各个元件的值。

在工作频带内的某一频率所对应的输出反射系数与输出阻抗有如下关系：

由表达式可以发现，当Z_out＝Z_L时输出反射系数趋近于负无穷大，此时电路达到理论上的完全匹配状态。但是在实际情况下，不可能做到完全匹配，通常来说工程应用上的阻抗匹配只需要让反射系数S₁₁低于-10dB即达到要求。

上述电路的工作原理为：在阻抗匹配理论中，并联电感将导致阻抗点沿着等电导圆逆时针移动，并联电容将导致阻抗点沿着等电导圆顺时针移动；串联电感将导致阻抗点沿着等电阻圆顺时针移动，串联电容将导致阻抗点沿着等电阻圆逆时针移动。通过计算获得的相关元件值能将整个频带内的阻抗点调整至接近50欧姆的阻抗点，从而实现较为理想的阻抗匹配。

图3为本实施例的S11在smith圆图上的分布，图4为本实施例电路的S11测试曲线图，图5为本实施例电路的S21测试曲线图。可以看到，本实施例电路的反射系数S₁₁和S₂₁均较平坦且达到了较好的水平，符合工程使用标准。

综上所述，本发明提供了一种超宽带射频功率放大器的输出匹配结构，其采用带通的输出匹配电路，不仅实现了放大器的高增益、良好的平坦度以及改善了驻波比的目的，而且减少了功率传输中的损耗，提高了放大器在工作频带内的性能。

Claims (1)

1.一种输出阻抗匹配器，包括电感L₁、电感L₂、电感L₃、电容C₁、电容C₂及电容C₃，该匹配结构可实现输出端阻抗为R_out的目标电路与阻抗为R_L的负载之间的阻抗匹配，其特征在于，所述电感L₂的一端通过节点A连接至所述目标电路的输出端，其另一端通过节点B与电容C₂连接，所述电容C₂的另一端通过节点C与所述负载连接；所述电感L₁的一端与节点A连接，电容C₁的一端与节点B连接，电容C₃的一端及电感L₃的一端均与节点C连接，所述电感L₁、电容C₁、电容C₃、电感L₃的另一端均接地；

所述电感L₁、电感L₂、电感L₃、电容C₁、电容C₂及电容C₃的具体取值可由以下公式确定：

其中，R₀即为所述目标电路的输出阻抗R_out，ω₁＝2πf₁、ω₂＝2πf₂、Δω＝ω₂-ω₁，f₁、f₂分别为所需工作频率范围的下边频、上边频，参量ω、ω₀、D由以下公式确定：

参量k(1)、k(2)由以下公式确定：

其中，Q∈[0.5，2]，r₃为方程16x³+16x²+(3+12c²)x-(3+4c²)＝0的实数解。