阻抗變換器和阻抗匹配網絡已經成為射頻電路以及最大功率傳輸係統中的基本部件。為了使寬帶射 頻功率放大器的輸入、輸(shu)出(chu)達(da)到(dao)最(zui)佳(jia)的(de)功(gong)率(lv)匹(pi)配(pei)，匹(pi)配(pei)電(dian)路(lu)的(de)設(she)計(ji)成(cheng)為(wei)射(she)頻(pin)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)的(de)重(zhong)要(yao)任(ren)務(wu)。要(yao)實(shi)現(xian)寬(kuan)帶(dai)內(nei)的(de)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)傳(chuan)輸(shu)
，匹(pi)配(pei)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)非(fei)常(chang)困(kun)難(nan)。本(ben)文(wen)設(she) 計的同軸變換器電路就能實現高效率的電路匹配。同軸變換器具有功率容量大、頻帶寬和屏蔽好的特性，廣泛應用於VHF/UHF波段。常見的同軸變換器有 1:4和1:9阻抗變換

，如圖1所示。但是實際應用中，線阻抗與負載不匹配時，它們的阻抗變換不再簡單看作1:4或1:9.本文通過建立模型，提出一種簡 化分析方法。

 
1 同軸變換器模型

同軸變換器有三個重要參數：阻抗變換比、特征阻抗和電長度。這裏用電長度是為了分析方便。當同軸線的介質和長度一定時，電長度就是頻率的函數
，可以不必考慮頻率。

1.1理想模型

理想的1:4變換器的輸入

、輸出阻抗都匹配
，每根同軸線的輸入、輸出阻抗等於其特征阻抗Z0,其等效模型如圖2所示。

 
其源阻抗Zg與ZL負載阻抗變換比為：

圖2和公式（1）表明：變換器的阻抗變換比等於輸入阻抗與輸出阻抗之比。

同軸變換器的輸入阻抗等於同軸線的輸入阻抗並聯
，輸出阻抗等於同軸線的輸出阻抗串聯。

1.2通用模型

youyutezhengzukangshishishu，eryuanzukangyufuzaizukangyibandoushifushu，suoyi，jiubunengjiandandeyongbianhuanbilaijisuan。zukangpipeijiushishuruzukangdengyuyuanzukangdegonge
，shixiangonglvdezuidachuanshu。tezhengzukangweiZ0,電長度為E的無耗同軸線接複阻抗的電路如圖3所示。

 
由於源阻抗與同軸線特征不匹配，電路的反射係數就不是負載反射係數。

由於同軸線是無耗的，進入同軸線的功率就等於負載消耗的功率。那就可以把電路簡化隻有一個負載Zin,又因為Zg與Zin都是複數且串聯，就可以把Zg中的虛部等效到Zin中，最後得到反射係數為：

其中：
 
當反射係數為零時，功率可以無反射的傳輸
，這時阻抗實現完全匹配。

由公式（2），反射係數為零可以等效為分子為零，即：

 
其中：

 
當E為90o時，可得：
 
由於特征阻抗為實數
，ZLZg*為實數時，方程才有解或才能完全匹配。當ZL和Zg為實數時，就是常用的λ/4阻抗變換。

當E不等於900,利用實部與虛部都等於零得方程組：

 
整理化簡得：

 
公式（3）說明，不是任意兩個複阻抗都可以完全匹配，必須滿足特征阻抗為正實數
；可以並聯或串聯電抗元件，使兩個不可能完全匹配的複阻抗完全匹配。
通用模型是結合理想模型和同軸線分析建立，如圖4所示。把1:N同軸變換器等效一根同軸線，利用同軸線的分析結果，更容易獲得特征阻抗和電長度參數。

特別對於利用同軸變換器設計的匹配電路

，可以簡化設計步驟，減少工作量。

2 寬帶匹配電路的設計

通過對同軸變換器的分析
，可以通過調諧特征阻抗和電長度完成阻抗匹配。

但(dan)是(shi)實(shi)際(ji)同(tong)軸(zhou)線(xian)的(de)特(te)征(zheng)阻(zu)抗(kang)是(shi)有(you)一(yi)定(ding)規(gui)格(ge)的(de)，不(bu)是(shi)任(ren)意(yi)的(de)
，而(er)且(qie)電(dian)長(chang)度(du)又(you)是(shi)隨(sui)頻(pin)率(lv)變(bian)化(hua)的(de)
，所(suo)以(yi)采(cai)用(yong)同(tong)軸(zhou)變(bian)換(huan)器(qi)和(he)集(ji)總(zong)元(yuan)件(jian)聯(lian)合(he)實(shi)現(xian)寬(kuan)帶(dai)匹(pi)配(pei)的(de)方(fang)式(shi)。

2.1.集總元件匹配電路

複阻抗可以用電阻與電抗串聯表示，也可以用電阻與電抗並聯表示，這兩種表示的等效電路如圖5所示。

 
它們都是指同一個複數，其轉換關係為：

 
公式4表明，電阻並聯電抗可以減小其複阻抗的實部，再串聯電抗抵消其虛部，就可以實現Rp到RS阻抗匹配。所需的電抗值可以通過表達式4計算，且Xp與XS取不同性質的元件，如果Xp用電容
，XS就用電感。

集總元件實現阻抗匹配原理：電阻並聯電抗減小其實部

，再串聯電抗抵消其虛部，達到兩個純電路的匹配；當匹配的不是純電阻時
，可以采用抵消和吸納虛部的方法實現複阻抗的匹配。

2.2聯合匹配電路

以Freescale公司MRF6VP2600推挽式MOSFET管的匹配電路設計為例，首先確定匹配電路的基本結構和同軸變換器的阻抗變換
，然後 再確定特征阻抗
、電長度和集總參數。由於輸入匹配電路設計與輸出匹配電路類似
，下麵詳細研究輸出匹配電路設計。MRF6VP2600的DATASHEET 給的源極-源極的輸出阻抗如圖6所示。


輸出匹配電路中
，由於功率管采用推挽式工作，所以在輸出端加入1:1巴倫實現不平衡-平衡變換。利用通用模型，下麵的工作就簡化為同軸線與集總參數的匹配電路設計。同軸線的特征阻抗和電長度計算公式為：

式中，Er為內部填充介質的相對介電常數；D為外導體內徑；d是內導體外徑；為內導體係數
，單股內導體時為1;C為空氣中光的速度
；f為工作頻率，L為同軸線的長度。

公式5表明，電長度與頻率呈線性關係
，且其長度越短，電長度受頻率的影響越小。

2.3仿真驗證

利用安捷倫公司的ADS工具進行輸出匹配電路設計與仿真，一般可采用大信號S參(can)數(shu)仿(fang)真(zhen)和(he)諧(xie)波(bo)仿(fang)真(zhen)，由(you)於(yu)本(ben)文(wen)設(she)計(ji)用(yong)於(yu)推(tui)挽(wan)式(shi)工(gong)作(zuo)的(de)匹(pi)配(pei)電(dian)路(lu)，所(suo)以(yi)選(xuan)用(yong)更(geng)直(zhi)觀(guan)的(de)諧(xie)波(bo)平(ping)衡(heng)仿(fang)真(zhen)。利(li)用(yong)同(tong)軸(zhou)線(xian)和(he)巴(ba)倫(lun)的(de)模(mo)型(xing)進(jin)行(xing)仿(fang)真(zhen)的(de)電(dian)路(lu)如(ru)圖(tu)7所示。

 
由於圖7的de負fu載zai阻zu抗kang的de實shi部bu是shi隨sui頻pin率lv增zeng減jian而er減jian少shao，所suo以yi在zai同tong軸zhou變bian換huan器qi的de兩liang端duan並bing聯lian電dian容rong。可ke以yi很hen容rong易yi對dui電dian路lu進jin行xing手shou動dong調tiao諧xie和he自zi動dong優you化hua，最zui後hou的de仿fang真zhen結jie果guo如ru圖tu8所示。


由圖6,圖8可以得到各頻點的反射係數；再根據反射係數與頻率的關係，可以求得匹配電路在工作頻帶的反射係數；最後根據匹配效率與反射係數的關係，求得匹配電路的匹配效率。具體結果見表1。
 
從表1可以得到
，匹配電路的在工作頻段內匹配效率達99.93%,實現了較好的匹配。

3總結

benwenjianlitongzhoubianhuanqidelixiangmoxinghetongyongmoxing，tichuyizhongxinyingdehejiandandefenxifangfa。tongguofenxi，tongzhouxiandetezhengzukanghedianchangduduipipeidianludexingnengyouhendayingxiang。shejileyikuantuiwanshiMOSFET管的輸出匹配電路，仿真結果表明：匹配效率達99.93%. 

本文作者：宮為保   來源：《廣播電視信息》
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