多级射频放大器的功率增益及损耗的分析装置及方法

摘要

本发明涉及一种多级射频放大器的功率增益及损耗的分析装置及方法，是鉴于过去的多级微波射频电路分析地不易而提出新的施行方式，本发明是将一多级射频放大器先简化其架构，并将待分析设定的电路部分提出，而尚未分析设定的其它电路部分，则将其视为一个单一中间级架构。在进行了这简化步骤后，可专心分析该待设定调整的电路部分，并调整之使其达到最佳增益状态。如此层层剥离分析，不但可有系统的简化分析步骤，并且可得知各级电路对于整个电路的贡献及其反应，而能对其有更深入的了解，可更快速地找出问题关键并加以改进。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多级射频放大器的功率增益及损耗的分析装置及方法，尤指一种以系统性的方法来快速分析放大器内各级的增益及损耗的装置。

背景技术

射频放大器在射频IC(RFIC)中扮演着很重要角色。而放大器操作在微波及射频等如此高的频段之下，容易因阻抗不匹配而造成功率增益的损失或衰减。

请参照图1，此图为现有的单级射频放大器，包括一输入电源电路010，连接一输入级匹配网络030，再连接一单级放大器050，接着一输出级匹配网络070，最后连接一输出电路090。其中该输入电源电路还包括一输入电源012和一输入电源的特征阻抗014，其特征阻抗值通常为50欧姆。现有的单级分析方法，是通过找出电源端反射系数Γ_S及负载端反射系数Γ_L，以及输入端反射系数Γ_IN以及输出端反射系数Γ_OUT，并经由调整此四个系数以达到预设的增益值。

而在现今的射频(RF)产业中，更常遇到多级射频放大器的匹配问题。但至目前为止所知的有系统性的功率增益分析方法，几乎都是针对单级射频、微波放大器，且该方法无法直接用在多级放大器的分析上，却也无人提出具体的分析多级放大器功率损耗的方法。目前所用常见的多级射频放大器的分析方法为尝试错误法(try and error)，此方法不但况日费时，且很难准确快速地找出功率增益衰减的原因。至于传统的电路仿真方式也很难解释功率增益衰减的原因。

因此，本发明提出一种可以快速并准确地找出射频、微波放大器功率增益衰减原因的分析装置，并提出一套分析设计方法得以改善提升其功率增益，使IC的特性能达到最佳化。

发明内容

本发明为一种多级射频器的功率增益及损耗分析装置与方法，一输入电源电路连接一输入级匹配网络，之后接一中间级网络，再接一输出级匹配网络连接于该中间级网络之后，最后连接一输出电路。而主要的方法是把欲分析的电路网络先标定出来，而尚未分析的电路网络则皆视为中间级网络。

接着，分析该标定的电路网络，先求出欲分析电路网络的电源端反射系数Γ_S以及负载端反射系数Γ_L，并由史密斯图(smith chart)求出电源端匹配网络最大增益值G_Smax以及负载端匹配网络最大增益值G_Lmax，并调整该电源端反射系数Γ_S与该负载端反射系数Γ_L，以得到相对应的输入级匹配网络的电源端匹配网络最大增益G_SMAX，以及输出级匹配网络的负载端匹配网络最大增益G_LMAX。

接着将已分析过后的电路网络省略，然后在该中间级网络中，再分出接下来要分析的网络，以及接下来尚未需要分析的网络，并将其视为另一中间级网络。接着依照上述的方法，层层分析直至全部分析完毕。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种多级射频器的功率增益及损耗分析装置，其特征在于包括：一输入电源电路；一前级匹配网络，用以接收该输入电源电路所提供的输入电源并将功率转移到中间级网络；一中间级网络，连接在该输入级匹配网络之后，其中可包括多个单级放大器以及多个中间匹配网络；一后级匹配网络，连接于该中间级网络之后；一输出电路，连接于该输出级匹配网络之后。

本发明还提供了一种多级射频器的功率增益及损耗分析方法，用以改进现有的尝试错误法，其步骤包括：判定多级射频器的待分析设定的外部网络为匹配级网络，或为放大器级网络；简化多级射频器，将该多级射频器简化，若该多级射频器的外部网络为匹配网络，则将该多级射频器简化为一前级匹配网络、一中间级放大器与一后级匹配网络；若该多级射频器的外部网络为放大器级网络，则将该多级射频器简化为一前级放大器、一中间级匹配网络与一后级放大器；分析该简化后的多级射频器，是通过调整电源端反射系数Γ_S使之成为最大电源端反射系数Γ_S，max，而此时最大电源端反射系数Γ_S，max与输入端反射系数Γ_IN成共轭匹配，另外藉由调整该负载端反射系数Γ_L使之成为最大负载端反射系数Γ_L，max，而此时最大负载端反射系数Γ_L，max与输出端反射系数Γ_OUT成共轭匹配；忽略该已分析的网络，并将未分析网络再进行分析，并重复上述的判断、简化、分析步骤直至所有待设定电路网络皆完成设定为止。

此方法不仅大幅简化分析电路的复杂度，也可让使用者得以更快速、准确地预测多级射频放大器的功率增益，也能更快找出功率损耗的电路网络。

附图说明

图1为现有技术的单级射频放大器图；

图2为本发明第一实施例图；

图3为本发明第一实施例简化图；

图4A为求电源端反射系数ΓS的装置图；

图4B为求负载端反射系数ΓL的装置图；

图5A为本发明第一实施例的再简化图；

图5B为本发明第一实施例的再简化图中，用以求出电源端反射系数ΓS的装置图；

图5C为本发明第一实施例的再简化图中，用以求出负载端反射系数ΓL的装置图；

图6为本发明第二实施例图；

图7为本发明的方法流程图。

其中，附图标记说明如下：

010 输入电源电路                030 输入级匹配网络

050 单级放大器                  070 输出级匹配网络

090 输出电路                    012 输入电源

014 输入电源的特征阻抗          100 输入电源电路

102 电源产生装置                104 输入特征阻抗

110 输入级匹配网络              120 第一级放大器

130 中间匹配网络                135 中间级放大器

140 第二级放大器                150 输出级匹配网络

160 输出电路                    300 输入端特征阻抗

310 输出端特征阻抗              500 输入电源电路

502 电源产生装置                504 输入特征阻抗

510 输入级匹配网络              520 第一级放大器

530 第一级中间匹配网络          540 第二级放大器

550 第N-1级放大器               560 第N-1级中间匹配网络

570 第N级放大器                 580 输出级匹配网络

590 输出电路                    S700 判定外部网络型态

S701 简化多级射频放大器         S703 分析欲分析的电路

S705 忽略已分析电路             S707 判定分析是否完成

具体实施方式

本发明的目的，在于提供一种多级射频器的功率增益及损耗分析装置与方法，用以改善过去传统分析方法的不便，并可快速找出功率放大器损耗的原因并可加以改善。

请参照图2，此为本发明的一实施例。本发明所欲分析的二级射频器放大器。包括输入电源电路100，其中可包括一电源产生装置102，以及一输入特征阻抗104，其特征值通常为50欧姆。在输入电源电路100后连接一输入级匹配网络110，之后再连接一第一级放大器120，与一第二级放大器140，其中第一级放大器120与第二级放大器140之间有一中间匹配网络130，以做为第一级放大器120与第二级放大器140连接以及阻抗匹配之用。其后，在第二级放大器之后连接一输出级匹配网络150，再连接到输出电路160，其中输出电路通常为一50欧姆的特征阻抗。

请参照图3，图中将上述的第一级放大器120与第二级放大器140以及其中间匹配网络130视为一中间级放大器135，如此可简化分析的复杂度。先分析求出输入级匹配网络110的电源端反射系数Γ_S并求出输出级匹配网络150的负载端反射系数Γ_L，并可通过调整该电源端反射系数Γ_S使之成为最大电源端反射系数Γ_S，max，而此时最大电源端反射系数Γ_S，max与中间级放大器135的输入端反射系数Γ_IN成共轭匹配，另外也可通过调整该负载端反射系数Γ_L使之成为Γ_L，max，而此时Γ_L，max与中间级匹配网络的输出端反射系数Γ_OUT成共轭匹配。

若经由上述的电源端反射系数Γ_S，负载端反射系数Γ_L，输入端反射系数Γ_IN以及输出端反射系数Γ_OUT，求出该输入级匹配网络的电源端增益值G_S以及负载端增益值G_L，其公式如下：

$>>>G>S>>=>>>1>->>>|>>\Gamma >S>>|>>2>>>>>|>1>->>\Gamma >S>>>\Gamma >IN>>|>>2>\; >$> $>>>G>L>>=>>>1>->>>|>>\Gamma >L>>|>>2>>>>>|>1>->>\Gamma >OUT>>>\Gamma >L>>|>>2>\; >$>

而所欲达成的电源端最大增益值G_Smax以及负载端最大增益值G_Lmax可经由史密斯图(smith chart)的功率增益圆(power gain circle)求出，可经由调整上述的电源端反射系数Γ_S，及负载端反射系数Γ_L，使输入级匹配网络的电源端增益值G_S以及负载端增益值G_L达到电源端最大增益值G_Smax以及负载端最大增益值G_Lmax，因此可达成最佳功率传递率以及最少的增益耗损。而G_Smax与电源端增益值G_S之差即为输入级阻抗不匹配所造成的功率增益的耗损，另外，G_Lmax与负载端增益值G_L之差即为输出级阻抗不匹配所造成的功率增益的耗损。

请参照图4A，为求出上述输入级匹配网络110的电源端反射系数Γ_S的方法。其中包括一输入端特征阻抗300，其特征阻抗值为50欧姆，另一输出端特征阻抗310，其特征阻抗值亦为50欧姆，中间为欲求的输入级匹配网络110，经由测量该输入端点的入射波量值以及反射波量值，计算其比值可得到该电源端反射系数Γ_S。

请参照图4B，此乃求出上述输出级匹配网络150的负载端反射系数Γ_L的方法。其中包括一输入端特征阻抗300，其特征阻抗值为50欧姆，另一输出端特征阻抗310，其特征阻抗值亦为50欧姆，中间为欲求的输入级匹配网络150，经由测量该端点的入射波量值以及反射波量值，计算其比值可得到该负载端反射系数Γ_L。因此，通过该电路仿真图可得到输入级匹配网络110的电源端反射系数Γ_S，及输出级匹配网络150的负载端反射系数Γ_L。

请参照图5A，在分析完成图2后，将该中间级放大器还原回原本的第一级放大器120，中间匹配网络130以及第二级放大器140，并将以匹配完成的输入级匹配网络110与输出级匹配网络150省略，以便做更进一步的分析。此分析方法尚未在任何有关射频，微波放大器的领域中有过相关相似的公开。

首先，该第一级放大器120的增益值可视为一定值G₀₁(此功率增益为当两端阻抗为50欧姆时所量测到的S21(dB)；S21为输出端的输出功率与输入端输入功率的比值)，该第二级放大器140的增益值亦可视为定值G₀₂(此功率增益为当两端阻抗为50欧姆时所量测到的S21(dB))，藉由图5C所提供的方法可求出负载端反射系数Γ_L(因中间匹配网络130，第二级放大器140及160可视为第一级放大器的输出端负载)，而藉由图5B所提供的方法可求出电源端反射系数Γ_S(因中间匹配网络130，第一级放大器120及输入电源电路100可视为第二级放大器的输入端负载)，如此可求得相对应于第一级放大器的输出端匹配网络增益G_L，与相对应于第二级放大器的电源端匹配网络增益G_S。

并通过调整相对应于第一级放大器的中间匹配网络的负载端反射系数Γ_L，与相对应于第二级放大器的中间匹配网络的电源端反射系数Γ_S，使其得以达到电源端最大增益值G_Smax(此时Γ_S等于Γ_S，max)以及负载端最大增益值G_Lmax(此时Γ_L等于Γ_L，max)，而该最佳值是经由史密斯图(smith chart)得到。所以G_Smax与G_S之差即为第一级放大器120与中间匹配网络130间不匹配所造成的增益损耗，而G_Lmax与G_L之差即为第二级放大器140与中间匹配网络130间不匹配所造成的增益损耗。如此便可在该第二级放大器中调整中间匹配网络130以获得最大增益，及最少的损耗。

请参照图6，此为本发明的另一实施例，我们可利用图4A，图4B，图5B及图5C所提供的方法由外而内层层来分析。其中包括一输入电源电路500，其中包括一电源产生装置502以及一输入特征阻抗504；紧接着一个输入级匹配网络510，其后连接第一级放大器520，在第一级放大器520后连接第一级中间匹配网络530，其后连接一第二级放大器，如此类推可连接至第N级放大器，最后在第N级放大器570后需连接一输出级匹配网络580，以及一输出电路590，其中该输出电路可能为一阻抗值为50欧姆的特征阻抗。

在此实施例中，首先在50欧姆阻抗下所量测到的各级放大器的增益(亦即S21(dB))G₀₁、G₀₂、G₀₃到G_N与散射参数代入分析，接着便循序找出各放大器以及各中间匹配网络的电源端反射系数Γ_S，及负载端反射系数Γ_L。

尔后，将第一级放大器520以及第一级中间匹配网络530，第二级放大器540......一直到第N-1级放大器550，第N-1级中间匹配网络560以及第N级放大器570视为一N级中间级放大器。接着藉由调整该输入级匹配网络510的电源端反射系数Γ_S使之成为Γ_S，max，而此时Γ_S，max与第一级放大器520的输入端反射系数Γ_IN成共轭匹配，另外也可藉由调整该输出级匹配网络580的负载端反射系数Γ_L使之成为Γ_L，max，而此时Γ_L，max与第N级放大器570Γ_OUT成共轭匹配。并可由史密斯图(smith chart)求出输入级匹配网络最大增益值G_Smax以及输出级匹配网络最大增益值G_Lmax。

在求得输入级匹配网络510以及输出级匹配网络580的最大增益值后，可将其忽略而简化分析电路的复杂度，接着分析剩下的第一级放大器520，第一级中间匹配网络530，第二级放大器540......一直到第N-1级放大器550，第N-1级中间匹配电路560以及第N级放大器570。可将其中的第一级中间匹配网络530，第二级放大器540......一直到第N-1级放大器550及第N-1级中间匹配电路560视为一中间级多级放大器。并根据图5C所示的方法求出相对于第一级放大器520的第一级中间匹配网络的负载端反射系数Γ_L’(该多级放大器视为第一级放大器的负载)，并且根据图5B所示的方法求出相对于第N级放大器570的第N-1级中间匹配网络的电源端反射系数Γ_S’(该多级放大器视为第N级放大器的入射网络)，接着藉由调整该负载端反射系数Γ_L’使之成为Γ_L’_max，而此时Γ_L’_max与第一级放大器520的输出端反射系数Γ_OUT成共轭匹配。另外也可藉由调整第N级放大器570的第N-1级中间匹配网络的电源端反射系数Γ_S’使之成为Γ_S’_max，而此时Γ_S’_max与第N级放大器570的输入端反射系数Γ_IN成共轭匹配。最后可得到相对于第一级放大器520的负载端的最大匹配增益值G_L’_max与相对于第N级放大器570的入射端的最大匹配增益值G_S’_max。

接着，忽略该第一级放大器520与第N级放大器570，以简化电路分析的复杂度。并将简化后的电路分为第一级中间匹配网络、一多级放大器(包括第二级放大器540与中间许多未标出的电路级和第N-1级放大器550)，其后连接第N-1级中间匹配网络。

然后根据图4A所提供的方法来求出往第一级中间匹配网络530看进去的入射端反射系数Γ_S”，以及根据图4B所提供的方法来求出往第N-1级中间匹配网络560看进去的负载端反射系数Γ_L”，接着藉由调整该Γ_L”使之成为Γ_L”_max，而此时Γ_L”_max与第N-1级放大器550的输出端反射系数Γ_OUT成共轭匹配，另外也可藉由调整Γ_S”使之成为Γ_S”_max，而此时的Γ_S”_max与第二级放大器540的输入端反射系数Γ_IN成共轭匹配。最后藉由史密斯图(smithchart)画出功率增益圆(power gain circle)后，可得到相对于第二级放大器540的入射端的最大匹配增益值G_S”_max与相对于第N-1级放大器550的负载端的最大匹配增益值G_L”_max。

依此程序(图4A、图4B与图5B及图5C)可完成各放大器的中间匹配网络的功率增益与损耗分析，且藉由调整每个匹配网络的Γ_S与Γ_L，可得到最后整体射频电路的G_T，MAX(maximum transducer power gain)。所以，此方法可以快速，简单地完成所需的电路设计，并且迅速找出放大器增益衰减的原因并改善。

请参照图7，为本发明的方法流程图。当步骤开始进行后，在S700先判断待测的多级射频器的最外部网络型态为何，其最外部型态究竟为匹配级网络或者是放大器级网络，判定完成后接续进行步骤S701。

在完成S700的判定外部网络型态后，若其最外部电路型态为匹配级网络，则在S701将该多级射频器简化为一前级匹配网络、一中间级放大器与一后级匹配网络；若该多级射频器的外部网络为放大器级网络，则在S701将该多级射频器简化为一前级放大器、一中间级匹配网络与一后级放大器。

若简化后的多级射频器为一前级匹配网络、一中间级放大器(其功率增益为当两端阻抗为50欧姆时所量测到的S21(dB))与一后级匹配网络，则分析该简化后多级射频器S703，根据图4A及第4B图提供的方法以得到该前级匹配网络的电源端反射系数Γ_S，后级匹配网络的负载端反射系数Γ_L。接着调整该前级匹配网络的电源端反射系数Γ_S使之成为Γ_S，max，而此时Γ_{S，>与该中间级放大器的输入端反射系数ΓIN成共轭匹配，另外藉由调整该后级匹配网络的负载端反射系数ΓL使之成为ΓL，max，而此时ΓL，max与中间级放大器的输出端反射系数ΓOUT成共轭匹配。最后由史密斯图(smith chart)分析功率增益圆(power gain circle)以求出输入级匹配网络最大增益值GSmax以及输出级匹配网络最大增益值GLmax。}

若简化后的多级射频器为一前级放大器、一中间级匹配网络与一后级放大器，其中该前级放大器的增益值与后级放大器的增益值视为定值(其为当两端阻抗为50欧姆时所量测到的S21(dB))。接着，在S703，利用图5C与图5B所提供的方法来分析该简化后的多级射频器，可得到相对于前级放大器的负载端反射系数Γ_L(该中间级匹配网络与后级放大器可视为该前级放大器的负载)与相对于后级放大器的电源端反射系数Γ_S(该中间级匹配网络与前级放大器可视为该后级放大器的电源输入网络)，并调整中间级匹配网络以使该待设定电路能够达到相对于后级放大器的电源端最大匹配增益值G_Smax以及相对于前级放大器的负载端最大匹配增益值G_Lmax。

之后，在S705，忽略该多级射频器的已分析电路网络部分，并在S707，判断是否已经完成所有待设定电路的分析。若已全部完成，则动作结束，而藉由上述的方法，各级电路网络皆可达到电源端最大增益值G_Smax以及负载端最大增益值G_Lmax，故该多级射频放大器便可达到最理想总和增益值G_Tmax(maximum transducer power gain)。若尚未完成，则再将尚未完成分析设定的网络再行判定步骤S700，并以上述方法持续调整所需的各电路级的参数，并加以调整直至所有分析结束为止。

本发明的方法与分析架构在射频、微波放大器分析领域中与传统分析方式比较起来，不仅节省了许多尝试错误的时间成本，更可确实地找出增益耗损之处并得以针对性地加以改进。