利用Touchstone优化C类功率放大器设计与阻抗匹配

本文主要探讨了如何利用实用方法来构建宽带C类功率放大器（PA），这是一种在通信频带中具有重要应用的设备。传统的开发工具如Touchstone曾是设计和优化功率放大器阻抗匹配网络的关键，尤其是在没有集成高级仿真软件如Agilent-EEsof的先进设计系统(ADS)之前。 在设计宽带微波功率放大器时，由于RF功率器件参数随信号电平和频率的变化而变化，实现优化的阻抗匹配变得极具挑战。早期的大信号充电控制晶体管模型和改进的Ebers-Moll模型被用于构建RF功率晶体管的模型，但测量大信号S参数的困难限制了这种方法的应用。计算机数值模拟，尽管能提供精确结果，但在设计过程中却显得冗长且复杂。 1970年代中期出现的谐波均衡设计方法极大地简化了非线性电路和大信号功率放大器的设计，但需要专业的数学技能来解决复杂的电路问题。为了表征功率器件，通常使用单端口阻抗模型来描述优化负载和源终止，这通常在器件工作频段内的多个频率点上给出，可以视为优化负载阻抗（ZOL）和源阻抗（Zs）的共轭变化。 负载牵引调谐器是一种常用的表征方法，通过测量器件在不同频率下的阻抗变化，尤其是输出阻抗Zout（等于优化负载阻抗Z*OL）和输入阻抗Zin（等于源负载阻抗Z*s）。图1展示了这种单端口阻抗网络的两种可能拓扑，损失主要集中在串联的电阻，该电阻连接着LC网络的两端。 为了简化这个过程，文章推荐使用像ADS这样的高级模拟软件，通过优化电路元件来预测整个频率范围内的性能，从而避免了繁琐的解析综合。这种方法使得设计过程更加高效，特别是在处理宽频带C类功率放大器时，能够有效提高设计的准确性和效率。 本文的核心知识点包括：宽带C类功率放大器的设计挑战、大信号模型和数值模拟的应用、单端口阻抗模型的使用、负载牵引调谐器的作用以及现代仿真软件如ADS在优化设计中的重要作用。通过结合这些方法和技术，设计师能够更好地理解和优化C类功率放大器的性能，适应通信频带的需求。