微带线传输阻抗匹配实例分析

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在高频电路中,如何高效地传输功率是一项重要的考虑因素。因内部的电路特性使然,高频功放管的输入输出阻抗与系统传输需求的特性阻抗偏差较大,使其在高频链路中不能完全发挥性能,灵活地使用微带传输线进行阻抗匹配可以很好的解决这一问题。
 
微带传输线阻抗匹配电路设计
 
现通过工程实例分析与大家分享微带传输线阻抗匹配的应用经验。使用一款MESFET功放管进行功率放大器设计,该功率放大器的工作频率为5.3GHz~5.5GHz,输出功率为8W,增益为9dB。
 
阅读功放管器件手册,其主要指标及参数的典型值如下:
 
• P1dB=39.5dBm;
• G1dB=9.5dB;
• ηadd=36%。
 
其输入输出阻抗曲线如下图所示:
 
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图1、功放管输入输出阻抗曲线
 
从曲线中提取5.3GHz~5.5GHz的频率范围内输入输出阻抗,如下表所示:
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根据获得的阻抗信息进行阻抗匹配电路设计,输入输出阻抗匹配的电路结构如下图所示:
 
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图2、输入输出阻抗匹配电路结构
 
分别对输入输出阻抗匹配电路参数进行优化设计,设计完成后测试回波损耗,测试结果如下:
 
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在小信号环境下,匹配电路的功率传输性能良好。将匹配电路接到功放管的输入输出端,在大信号功率激励下进行功率和增益扫描:
 
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图3、功放电路特性曲线
 
扫描结果显示,功放电路在功率激励下的输出功率和增益不足。我们首先优化输入阻抗匹配电路参数来提高增益,再优化输出匹配电路参数使其满足输出功率最大的条件。电路优化后再次进行功率和增益扫描:
 
 
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图4、优化后功放电路特性曲线
 
优化后功放电路的饱和功率输出大于8W,增益大于9dB,满足指标要求。电路设计完成后选用合适的高频板材将电路工程实现。
 
可靠性是功放电路设计时的一个考虑要素。功放电路可靠性主要受传输线功率容量、匹配电路功率反射、功放散热环境等几个方面因素的影响。基于匹配电路大功率传输的考虑,在选择高频板材时需要增加传输线的铜箔厚度以提高功率容量,改善传输线的散热条件。微带匹配电路的成品率很大程度受到高频板材一致性的影响。为减小匹配电路因参数漂移而导致功率反射造成功放损坏现象出现的概率,高频板材的参数需稳定且批量一致性好。若不散热,功放电路会因温度逐渐上升而被损坏,鉴于此,功放电路板材在选取时应该要有利于散热设计。
 
Rogers公司的RT/duroid 5880板材产品型号历史久远,成熟度及稳定性高,同时具有可定制的特点。在定制该板材时可将上表面铜箔厚度指定为1oz,以提高实际电路的功率容量,而下表面则附2mm厚铜金属层,为功放电路提供良好的散热环境,减小因散热不良引起温升导致功放管击穿的概率。笔者在工程实现过程中发现采用RT/duroid 5880板材对整体提高功放电路的可靠性有很大的帮助。
 
使用定制的高频板材进行电路工程实现,优化后的功放管微带传输线阻抗匹配电路:
 
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图5、功放管微带线阻抗匹配电路
 
提取电路结构尺寸、板材参数等信息,制造微带电路。用30dBm的信号激励功放,测试输出功率:
 
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优化后的功放指标满足需求。再使用网络分析仪测试微带输入输出匹配电路:
 
 
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图6、优化后阻抗匹配电路回波损耗测试曲线
 
从图6测试结果发现优化后的匹配电路回波损耗反而变差了,这是由于优化后的匹配电路更能满足功放管在大信号工作环境下的指标要求,但在小信号测试环境下指标偏移了。总而言之,最终指标实现后对匹配电路采用小信号与大信号两种不同测试分析方法而表现出的两种不同结果。
 
总结
 
高频功放的阻抗匹配电路设计是微带传输线的主要工程应用之一。功放电路具有较强的非线性特性,其设计分析方法较为复杂,需要灵活地使用微带传输线进行阻抗匹配电路设计与优化,以满足功率放大器的指标要求。满足指标的同时,可靠性也是功放电路工程实现的关注重点。Rogers公司的高频板材RT/duroid 5880 因其高稳定性、优良的批量一致性以及可定制化的特点,有针对性的满足了这一实际需求。深入研究高频板材的各项关键参数,了解其各项物理、电气特性能够帮助设计人员做出性能更加优良、可靠性更高的产品。
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