射频功放设计指南
从微波理论我们还可以知道，T型和π型结构的微带传输线能够等效为串联的传输电感，在此就不一一表述。表5.1总结了集总参数元件和可以等效转换的几种微带传输线模型：
表5.1 微带传输线模块表
集总参数Z1串联电感分布参数的等效模型Z2Z3Z1=Z2=jZ0tan(θ/2)Z3=-jZ0/sinθ串联电感Z1Z3Z2Z1=Z2=-jZ0tan(θ/2)Z3=+jZ0/sinθ串联电容当容值大于0.5pF时，没有等效模式Z0；θ并联电感ZIN=+jZ0tanθZ0；θ并联电容Z3=-jZ0/tanθ
以例1中得出的输入匹配电路为例来进行分布参数的转换：
输入匹配电路中的3个并联电容可以等效转换为在微带线中串入一段电长度小于1/4波长的微带开路支节。而在实际的应用过程中，由于正切函数的特性（在角度为65度至90度之间，函数值增长很快），微带线在较长的电长度情况下不能够准确地等效出集总参数特性，这就要求我们在设计时尽量把串入的微带开路支节的电长度控制在65度范围之内。
从表5.1中的等效模型我们能看到，集总参数的元件可以等效为多种微带线形式：不同的特征阻抗和不同的电长度都可以等效出相同的集总参数元件。而在实际设计过程中，为了保持电路的真实状态，尽量使电长度较小从而能够等效地进行集总参数的转换，因此我们通常在物理图形上采用对称的并联和串联微带线的方式组成匹配电路结构。
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例1中得到的所需匹配电路的结构和电抗值如图5.7所示：
功率管的等效阻抗j25j10j2.0Zin=50-j50-j12.5-j2.51.0输入匹配的电抗值
图5.7 输入匹配的电抗值
对于并联的三个集总容抗参数，参考表5.1，等效过程如下：
Z1=-j50Ω,可以等效为两个-j100Ω的并联微带线，选择带线的特征阻抗为25Ω，电长度为14度；-j25/tan14=-j100；
Z2=-j12.5Ω,可以等效为并联两个-j25Ω的微带线，选择带线的特征阻抗为25Ω，电长度为45度；-j25/tan45=-j25；
Z3=-j2.5Ω，等效为两个-5Ω的并联，由于其阻抗还是较低，即使取电长度为65度时，两段并联支节中的微带线特征阻抗仍然为
Z=2*2.5*tan65=10.7Ω,
10.7Ω的特征阻抗对于所需要转换的带线宽度，还是比较低。在这种情况下，可以通过微带线和电容并联的方式，来提高带线的特征阻抗。值得注意的是：在电路中所选择的电容要为高Q值电容，否则会影响到匹配电路的性能,另外所选取电容的容值也不要太大。 两个并联支路中的每一支节的阻抗为 -j5.0=ZSTUB||ZC 我们取ZSTUB =-j15/tan65=-j7.0Ω
ZC=-j/[2πf(18pF)]=-17.7Ω
即取微带线的特征阻抗为为25Ω，电长度为65度；另外取并联电容的容值为18pF。 而对于串联的两个感抗参数，可以等效为图表中的第一种模式，等效过程如下： Z4=j25Ω
0
000
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取带线的特征阻抗为50Ω，电长度为28度，串联的每节带线阻抗为 ZL1=ZL2=+jZ0tan(θ/2)=+j12.5Ω
等效电路中并联的电抗为-j50/sin28=-j106.5，由于并联的电抗值较大，可以把此并联的电抗忽略不计，对等效电路几乎没有什么影响。
Z5=+j10Ω
取带线的特征阻抗为40Ω，电长度为16度 ZL1=ZL2=+jZ0tan(θ/2)=+j5.0Ω
同样等效电路中并联的电抗可以忽略不计而对等效电路几乎没有影响。 分布参数的输入匹配电路如图5.8所示：
0
18pFZ1Z4Z7Z3Z6Z2Z5Z818pFZ1&Z2 Z0=25ΩZ3 Z0=25ΩZ4&Z5 Z0=25ΩZ6 Z0=25ΩZ7&Z8 Z0=15Ω θ θ θ θ θ=14 =28 =45 =16 =65 00000
图5.8 分布参数的输入参数匹配图
输出匹配电路等效的分布参数转换和以上方法基本一致，在此就不一一赘述了。 在匹配电路的设计中还需注意以下几点：
a) 对于输入匹配电路来说，要求电路的输入驻波比较小，另外合理的输入匹配电路也应该能
满足频段内的带内平坦度；
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b) 对于输出匹配电路来说，要求输出匹配电路具有较低的损耗、较高的谐波抑制、较小的驻
波比，同时也要能够保证功放的线性指标和效率。
在匹配电路的设计中，我们还要考虑到放大器的稳定性，稳定性对于任何电路来说，都是重要的性能。电路中如果有振荡存在（如寄生震荡和参量振荡）就会影响到功放的稳定性能甚至会造成功率管的损坏。寄生振荡通常发生在加电、断电或者在输入激励功率的过程中；而如果存在参量振荡，在工作频率的子谐波（如f/2或f/3等）处会有频谱分量出现。另外由于功放管在低频率处的增益较高，也会有低频不稳定特性的出现。良好的匹配电路设计应该能够抑制这些不稳定性能。
近年来随着微波仿真软件业的迅速发展，在匹配电路的设计上也出现了很多不错的软件，如AGILENT公司的ADS、APPWAVE公司的MW OFFICE等，通过这些软件的仿真，可以更好地、更快地帮助我们对匹配电路进行设计和仿真；另外现在一般生产微波功率管的厂家在功率管正式推出的同时，也给出了DEMO电路，通过测试DEMO电路和模仿DEMO电路来进行匹配电路设计，也可以极大地提高我们设计的速度。
5.3 功率合成技术
在许多无线通信系统中需要有较大的功率输出，而由于功率管都有最大的功率输出能力，这时由单个功率管组成的功放不能满足大功率输出的需要，在这种情况下，就需要采用功率合成技术来达到所需要的功率输出要求。
功率合成技术包括管芯合成、电路合成和空间合成，在本篇文章中只讨论电路合成技术。 电路合成包括三个部分：功率分配单元、功率放大单元和功率合成单元。功率合成的简单原理为：由功率分配单元把输入信号分配给各路功放单元进行功率放大，再通过功率合成单元把各路功放单元的输出信号进行功率合成。由于功率合成为矢量合成，要达到较高的合成效率，就需要分配单元、放大单元和合成单元的幅度和相位特性要满足一定的条件。
5.3.1 功率分配和合成单元。
一般来说，在功率合成的电路中，所采用的功率分配单元和功率合成单元的结构基本一致，呈现互易的特性。
功率分配和合成单元的几个基本要求：
有较低的插入损耗，使放大器的输出功率不会过多的消耗在分配和合成单元中； 有较高的隔离度，放大器之间的不会造成交互干扰； 有较好的幅度和相位一致性，保证合成效率；
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有较高的可靠性，要远远超过放大单元中各元件的可靠性，才能保证功率合成的可靠性； 有较好的耐功率性，要能保证在任何放大单元损坏时，还能够继续正常工作；
功率分配和合成器件从基本组成的方式来划分包括两种方式：级联的2：1端口的合成和链式的分配、合成器。级联的2：1端口合成可以组成1：2、1：4、1：8、1：16等等许多方式，其中基本的二路合成器可由WILKISON或微带线交叉指耦合器组成；而链式的分配、合成器是由n-1耦合器组成，其中第K路的耦合系数等于K的倒数，链路合成器的耦合量分别为-0dB、-3dB、-4.77dB、?、-10lgndB。链式分配、合成单元组成的合成电路框图如图5.9所示：
-10lgN输入-10lg(N-1)-10lg(N-2)-4.77dB-3dBPA1PA2PA3PAN-2PAN-1PAN输出-3dB-4.77dB-10lgN-10lg(N-1)-10lg(N-2)
图5.9 链式分配合成单元组成的合成电路框图
而级联的2：1端口的合成器所组成的结构如图5.10所示：
1234合成器合成器合成器合成器合成器2N-32N-22N-12N合成器合成器合成器合成器第N级第N-1级第一级第二级
图5.10 级联2:1端口合成器结构
功率合成电路中的分配器结构和此结构互易，在分配器和合成器之间加上N路功放，就形成级联的2：1端口的合成。当然在功率合成中，我们也可以用链式合成方式和级联的2：1端口合成方式共同组合完成如1：12（链式1：3和级联的1：4）等多种电路合成。
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