构建C类功率放大器的实用设计策略与单端口模型应用

本文主要探讨如何通过实用方法构建C类功率放大器（PA），一种在宽带通信频段中有重要应用的设备。C类功率放大器因其在效率和功率处理方面的优势，被广泛应用于无线通信系统中。作者提到，虽然现代设计工具如Agilent-EEsof的先进设计系统(ADS)已经内置了PA的仿真功能，但历史上，Touchstone曾是设计C类PA阻抗匹配网络的重要辅助工具。 设计过程涉及以下几个关键步骤： 1. 参数提取与模型建立：首先，通过选取合适的RF晶体管，提取其优化的输入和输出大信号阻抗。这些参数对于准确建模晶体管的行为至关重要。使用单端口网络来模拟晶体管的动态响应，以便在宽频带内设计符合50欧姆系统阻抗的网络。 2. 阻抗匹配：由于RF功率器件的参数随频率和信号电平变化，设计过程中需要对器件特性进行深入表征，这可能导致复杂的模型。早期的技术如大信号充电控制晶体管模型和改进的Ebers-Moll模型，以及大信号S参数，尽管有局限性，也曾被尝试用于建模。 3. 计算机模拟与谐波均衡设计：随着计算机技术的发展，数值分析成为预测C类PA行为的有效手段。然而，这种方法往往需要大量的计算资源，并且设计过程繁琐。幸运的是，谐波均衡设计方法的出现极大地简化了非线性电路和大信号功率放大器的设计，但其依赖于高级数学技巧。 4. 单端口阻抗模型：为了设计输入和输出匹配网络，文中采用了更为简洁的单端口阻抗模型，这是基于RF功率晶体管在工作频段内的多个频率点上的优化负载和源阻抗数据。这些数据反映了器件在不同频率下的性能变化。 5. 负载牵引调谐：通过负载牵引技术，设计师可以测量晶体管在工作频带内的阻抗特性，特别是优化负载阻抗ZOL和源负载阻抗Zs的变化。这个过程需要精确的单端口阻抗模型来预测阻抗在不同频率点上的共轭变化。 6. 拓扑设计：图2展示了两种可能的阻抗网络拓扑结构，设计时需考虑如何将所有损耗集中在单一元件上，比如一个串联的电阻和电感，以实现有效的功率放大。 总结来说，构建C类功率放大器是一个系统性的工程，需要精确的模型、适当的模拟技术以及对RF器件特性的深入理解。通过结合传统和现代设计方法，工程师能够优化器件性能，确保在宽频带内提供高效、稳定的功率输出。