在高頻電路中，如何高效地傳輸功率是一項重要的考慮因素。因內部的電路特性使然，高頻功放管的輸入輸出阻抗與系統傳輸需求的特性阻抗偏差較大，使其在高頻鏈路中不能完全發揮性能，靈活地使用微帶傳輸線進行阻抗匹配可以很好的解決這一問題。

微帶傳輸線阻抗匹配電路設計

現通過工程實例分析與大家分享微帶傳輸線阻抗匹配的應用經驗。使用一款MESFET功放管進行功率放大器設計，該功率放大器的工作頻率為5.3GHz~5.5GHz，輸出功率為8W，增益為9dB。

閱讀功放管器件手冊，其主要指標及參數的典型值如下：

• P1dB=39.5dBm；
• G1dB=9.5dB；
• ηadd=36%。

其輸入輸出阻抗曲線如下圖所示：

圖1、功放管輸入輸出阻抗曲線

從曲線中提取5.3GHz~5.5GHz的頻率范圍內輸入輸出阻抗，如下表所示：

根據獲得的阻抗信息進行阻抗匹配電路設計，輸入輸出阻抗匹配的電路結構如下圖所示：

圖2、輸入輸出阻抗匹配電路結構

分別對輸入輸出阻抗匹配電路參數進行優化設計，設計完成后測試回波損耗，測試結果如下：

在小信號環境下，匹配電路的功率傳輸性能良好。將匹配電路接到功放管的輸入輸出端，在大信號功率激勵下進行功率和增益掃描：

圖3、功放電路特性曲線

掃描結果顯示，功放電路在功率激勵下的輸出功率和增益不足。我們首先優化輸入阻抗匹配電路參數來提高增益，再優化輸出匹配電路參數使其滿足輸出功率最大的條件。電路優化后再次進行功率和增益掃描：

圖4、優化后功放電路特性曲線

優化后功放電路的飽和功率輸出大于8W，增益大于9dB，滿足指標要求。電路設計完成后選用合適的高頻板材將電路工程實現。

可靠性是功放電路設計時的一個考慮要素。功放電路可靠性主要受傳輸線功率容量、匹配電路功率反射、功放散熱環境等幾個方面因素的影響。基于匹配電路大功率傳輸的考慮，在選擇高頻板材時需要增加傳輸線的銅箔厚度以提高功率容量，改善傳輸線的散熱條件。微帶匹配電路的成品率很大程度受到高頻板材一致性的影響。為減小匹配電路因參數漂移而導致功率反射造成功放損壞現象出現的概率，高頻板材的參數需穩定且批量一致性好。若不散熱，功放電路會因溫度逐漸上升而被損壞，鑒于此，功放電路板材在選取時應該要有利于散熱設計。

Rogers公司的RT/duroid 5880板材產品型號歷史久遠，成熟度及穩定性高，同時具有可定制的特點。在定制該板材時可將上表面銅箔厚度指定為1oz，以提高實際電路的功率容量，而下表面則附2mm厚銅金屬層，為功放電路提供良好的散熱環境，減小因散熱不良引起溫升導致功放管擊穿的概率。筆者在工程實現過程中發現采用RT/duroid 5880板材對整體提高功放電路的可靠性有很大的幫助。

使用定制的高頻板材進行電路工程實現，優化后的功放管微帶傳輸線阻抗匹配電路：

圖5、功放管微帶線阻抗匹配電路

提取電路結構尺寸、板材參數等信息，制造微帶電路。用30dBm的信號激勵功放，測試輸出功率：

優化后的功放指標滿足需求。再使用網絡分析儀測試微帶輸入輸出匹配電路：

圖6、優化后阻抗匹配電路回波損耗測試曲線

從圖6測試結果發現優化后的匹配電路回波損耗反而變差了，這是由于優化后的匹配電路更能滿足功放管在大信號工作環境下的指標要求，但在小信號測試環境下指標偏移了。總而言之，最終指標實現后對匹配電路采用小信號與大信號兩種不同測試分析方法而表現出的兩種不同結果。

總結

高頻功放的阻抗匹配電路設計是微帶傳輸線的主要工程應用之一。功放電路具有較強的非線性特性，其設計分析方法較為復雜，需要靈活地使用微帶傳輸線進行阻抗匹配電路設計與優化，以滿足功率放大器的指標要求。滿足指標的同時，可靠性也是功放電路工程實現的關注重點。Rogers公司的高頻板材RT/duroid 5880 因其高穩定性、優良的批量一致性以及可定制化的特點，有針對性的滿足了這一實際需求。深入研究高頻板材的各項關鍵參數，了解其各項物理、電氣特性能夠幫助設計人員做出性能更加優良、可靠性更高的產品。