輸入匹配電路和輸出匹配電路

成功地設計固態微波功率放大器的關鍵是設計阻抗匹配網絡。
在任何一個微波功率放大器設計中，錯誤的阻抗匹配將使電路不穩定，同時會使電路效率降低和非線性失真加大。
在設計功率放大器匹配電路時，匹配電路應同時滿足匹配、諧波衰減、帶寬、小駐波、線性及實際尺寸等多項要求。
當有源器件一旦確定后，可以被選用的匹配電路是相當多的，企圖把可能采用的匹配電路列成完整的設計表格幾乎是不現實的。
設計單級功率放大器主要是設計輸入匹配電路和輸出匹配電路；
設計兩級功率放大器除了要設計輸入匹配電路和輸出匹配電路外，還需要設計級間匹配電路。
（1）輸入匹配電路
輸入匹配電路和輸出匹配電路主要是對一端是50，另一端是實數部分較小的復數阻抗進行匹配。
當大功率管的輸入阻抗是容性、低電阻值時，通常可以采用下述五種輸入匹配電路

圖7-17  輸入匹配電路
（a）電路A；（b）電路B；（c）電路C；（d）電路D；（e）電路E。
當大功率管的等效輸入阻抗呈感性，它的實部比較小時，可以采用并聯電容的輸入匹配電路，把等效輸入阻抗中的電感分量諧振掉，這種輸入匹配電路應該是低通匹配網絡，能匹配較低的阻抗。通常，輸入匹配電路的諧振電容可以用微帶短截線實現。當放大器的工作頻率及功率管選定后，諧振實阻抗值可能小于50，也可能是很大的數值。當諧振實阻抗低于50時，低通匹配電路很容易使它與50阻抗匹配。
（1）輸入匹配電路
如果采用微帶匹配網絡時，諧振實阻抗不能太高，原因是用低通網絡結構把高阻抗降到50時要用到串聯高阻抗傳輸線。該傳輸線的特性阻抗至少高于諧振實阻抗，達一倍以上，這就使串聯高阻抗傳輸線非常窄，加大了匹配網絡的損耗，加大了工藝難度，有時甚至無法實現。在尺寸允許時，可以采用四分之一波長阻抗變換網絡。
輸出匹配電路確定后，功率放大器的輸出功率及效率也基本確定了，但是它的增益平坦度并不一定滿足技術指標的要求。這時，需要合理設計輸入匹配電路以便使增益平坦度滿足要求。
設計輸入匹配電路時，還應考慮輸入駐波比不能太大，在設計頻帶要求較寬時，這個問題顯得特別突出，頻帶越寬設計難度越大。為了改善輸入駐波比性能，可以采用鐵氧體隔離器，也可以采用平衡放大器技術。
（2）輸出匹配電路
輸出匹配電路主要應具備損耗低，諧波抑制度高，改善駐波比，提高輸出功率及改善非線性等功能。
①諧波抑制。功率放大器的非線性特性使輸出不僅包含基波信號，同時還存在各項諧波，諧波幅度大小與基波信號大小呈一定的比例關系。在大功率放大器中，由于基波功率比較大，因此諧波功率也比較大，特別是2次諧波和3次諧波，它們對系統的影響是不可忽略的。為了減小諧波功率輸出，通常輸出匹配電路采用低通結構或帶通結構。在采用帶通結構時，應消除寄生通帶的影響。當要求諧波輸出非常小，單靠上述匹配電路是不能滿足對諧波的抑制，還需要加帶阻濾波網絡。
②改善駐波比。功率放大器匹配電路設計不完善會使功率放大器輸出駐波比較大，因此會加大帶內增益起伏，產生寄生信號，嚴重時會產生自激振蕩和燒毀功率管。因此，在設計輸出匹配電路時必須使駐波比較小。
（2）輸出匹配電路
③低損耗。在大功率放大器中，由于輸出功率較大，輸出電路有一點損耗就會有較大功率損失，并且，在輸出電路板上轉成熱耗，從而使電路的可靠性變差。例如，連續波輸出功率為200W，輸出匹配電路損耗為1dB，則耗散在輸出匹配電路上的功率高達40W以上。輸出功率越大，輸出匹配電路上所耗散的功率越大。因此，在設計大功率放大器時，應該盡可能減小輸出匹配電路的損耗。
④線性。由非線性分析知道，功率放大器的三階交調系數是與負載有關的，因此在設計輸出匹配電路時，必須考慮線性指標的要求。負載選擇應確保線性最好。
⑤效率。功率放大器的效率除了取決于晶體管的工作狀態、電路結構、負載等因素外，還與輸出匹配電路密切相關。要求輸出匹配電路保證基波功率增益最大，諧波功率增益最小，損耗盡可能小和良好的散熱裝置。
級間匹配電路除了與輸入匹配電路一起實現平坦增益特性外，還應具備級間隔直流功能。有關隔直流電路的設計內容可以參考第六講低噪聲放大器有關內容。
兩級功率放大器的三階交調系數不僅取決于末級功率放大器，同時還取決于末前級功率放大器。
在設計功率放大器時，為了實現增益平坦、
電路穩定及輸出功率等指標，功率放大器
不可能完全匹配。為了改善功率放大器的
匹配性能，通常采用平衡功率放大器。
平衡功率放大器有許多優點：
（1）在設計單端功率放大器時，為了滿足平坦增益及穩定性要求，失配往往很厲害；而在設計平衡功率放大器時，只要保證配對的功率晶體管性能一致，則合成網絡可以改善由于單端功率放大器引起的失配。因此，平衡功率放大器在實現平坦功率增益和穩定性的同時，又有較好的匹配性能，通?？蓪崿F1個倍頻程帶寬，做得好時帶寬接近2個倍頻程。
（2）級間很易隔離，因此級間的調整工作量比較小。
（3）由于匹配性能好，反射小，因此電路工作穩定。
（4）當電路中某一個晶體管損壞時，僅僅使功率放大器總增益下降6dB，對有些系統，這種增益下跌還不會使系統受到致命打擊。
（5）在線性功率放大器設計時，通常采用平衡功率放大器來改善線性指標。
（6）在實現多級功率放大器時，平衡功率放大器的調整比不平衡功率放大器要少得多。
在設計功率放大器時，為了實現增益平坦、
電路穩定及輸出功率等指標，功率放大器
不可能完全匹配。為了改善功率放大器的
匹配性能，通常采用平衡功率放大器。
平衡功率放大器有許多優點：
（1）在設計單端功率放大器時，為了滿足平坦增益及穩定性要求，失配往往很厲害；而在設計平衡功率放大器時，只要保證配對的功率晶體管性能一致，則合成網絡可以改善由于單端功率放大器引起的失配。因此，平衡功率放大器在實現平坦功率增益和穩定性的同時，又有較好的匹配性能，通?？蓪崿F1個倍頻程帶寬，做得好時帶寬接近2個倍頻程。
（2）級間很易隔離，因此級間的調整工作量比較小。
（3）由于匹配性能好，反射小，因此電路工作穩定。
（4）當電路中某一個晶體管損壞時，僅僅使功率放大器總增益下降6dB，對有些系統，這種增益下跌還不會使系統受到致命打擊。
（5）在線性功率放大器設計時，通常采用平衡功率放大器來改善線性指標。
（6）在實現多級功率放大器時，平衡功率放大器的調整比不平衡功率放大器要少得多。