摘 要： 高频C类功率放大器输出网络LC设计难点之一是匹配和滤波电路。难度在于功率放大器的输出既要实现阻抗匹配，又要过滤谐波分量，使问题复杂化。本文利用MATLAB绘制交流等效电路传输函数曲线，根据传输函数在基波和谐波频率点的范围确定电路方案和元件参数。它提供了一个设计实例Multisim上仿真验证。模拟结果表明，该方法设计效率高，简单易行。
关键词： MATLAB；交流等效电路；传递函数
0 引言
雷达、通信、导航、广播等电子设备中广泛使用高频功率放大器，是通信系统发送装置的重要组成部分。根据其工作频带，高频功率放大器分为窄带放大器和宽带放大器。窄带放大器通常以选频电路为输出电路，因此也称为调谐放大器或谐振放大器。根据工作状态的不同，功率放大器可分为A类B类、C类、D类、E类…。A线性好，电路简单，但输出效率低；B类放大器略高于A类放大器，C类放大器略高于B类；D类和E类属于开关放大器，效率高于C类，但工作机制和A、B不同于C类。就A、B就C三类放大器而言，C类放大器效率最高，但波形容易失真，因为它是非线性电路。
C导通角小于900°，集电极电流失真严重，输出端需要配置滤波网，同时为了输出最大功率，实现阻抗匹配。匹配网络与滤波器网络相连，相互影响。如果设计不当，会降低匹配网络的功能，大大降低输出功率，无法消除波形失真，这是C功率放大器设计中最大的困难之一。本文将C类放大器的输出匹配和滤波网转换为交流等效电路，找出等效电路的整体传输函数MATLAB绘制传输函数曲线。通过分析传递函数在基波上的增益和谐波上的衰减情况，确定网络结构和元件参数，从而达到设计目的。原理简单，计算公式少，设计效率高，精度高。
目前，虽然市场上有许多商业电子仿真软件很多，为电路设计提供了便利，但这些软件无法解决电路优化的问题，最佳方案和元件的最佳参数由设计师自己解决。
1 选择电路方案
C类功率放大器的电路形式有很多[1-3]，图1是常用电路之一。基极偏置电压为零电压或负电压，输入高频信号入高频信号(这里只给出原理简化电路)。直流馈电、隔直、阻抗匹配匹配和滤波问题。集电极通常通过扼流圈通过L(或抽头变压器)连接到电源，提供直流馈电，阻断交流进入电源。C它是一种具有隔直和耦合功能的电容器，直流馈电造成短路。交流信号由集电极通过C、将输出到负载的馈电方式与网络和滤波网相匹配。在设计中，匹配网也可以安排在滤波网之后。匹配网络一般有L型，T型和Π型三种，L匹配网络形式最简单。这里的匹配网络采用L型，其交流等效电路如图2所示。
2 确定元件参数
设计的最终目标是确定元件参数。图2中的扼流圈L和耦合电容C一般是根据经验选择的，值要大一点，但不能太大，否则会影响集电极调幅(后实现)的作用。二是设计匹配元件Cp和Lp。从图2交流等效电路可以看出，L和C也构成L型网络，如果数值合适也能起到阻抗匹配的作用，所以没必要用两级匹配，可以去掉Cp和Lp，由L和C阻抗匹配网络(见图3)。根据工作频率和输出功率计C。放大器电源电压244 V，输出功率2 W，工作频率10 MHz。由于集电极饱和压降Uces≥1.5 V(取2.5 V)，因此，集电极等效负载电阻为：
C选定后的等效负载电阻为50 Ω(与RL一致)，L和C求解如下：
该匹配网络只是在谐振频率上实现匹配，而在其他频率上呈现高通特性，对谐波没有抑制作用，后面必须加低通(或带通)滤波器对谐波进行压制。
下一步是设计滤波器，选择低通滤波器。滤波器有多种成熟的类型[4]，如巴特沃斯、切比雪夫、椭圆函数和固定K滤波器，它们都有自己的特点。这些滤波器有标准化的设计方法，图表和曲线可供查询，设计非常方便。滤波器的阶数根据截止频率和带外衰减（或矩形系数）确定。
工作频率为10 MHz，所以低通滤波器的截止频率暂时选为15 MHz。由于带外衰减（或矩形系数）没有具体要求，滤波器阶数暂时选择为4阶，类型为巴特沃斯。巴特沃斯滤波器有两种形式，具有相同的原始特性，但与匹配网络连接后的特性不一定相同，因此应考虑两种结构，如图3所示。
根据假设的截止频率，过滤元件的参数fc和负载电阻RL计算[2]如下：
其中g1和g2.从查表[4]中获得的巴特沃斯一体化滤波器元件值。到目前为止，已经确定了输出网络的结构和参数。下一步是输出网络的整体传输函数。首先要求每个元件ABCD例如，网络矩阵L1和C2矩阵参数分别为：
其他组件的网络参数的求取方法相同。两个网络的总矩阵分别是各矩阵级联：
根据ABCD定义网络参数，A该网络的电压传的电压传递函数，即：
取模分别为：
G1=|H1|，G2=|H2|
它们是频率的函数。用MATLAB绘制G1和G曲线，如图4所示。通过观察两条曲线，可以发现它们在3次以上谐波(≥30 MHz)在基波(10 MHz)上的增益G1大于G2，预示着G输出功率大于1G二、二次谐波(20 MHz)上G1比G衰减大，表示G电路波形失真小于1G所以要选择G对应滤波器。选择的原则是:基波上的幅度越大越好，谐波上的幅度越小越好。如果这两点不符合要求，频率或增加滤波器阶数，直到满意。如图5所示。
3 Multisim仿真
用于验证电路设计的正确性Multisim10模拟图5。输出波形如图6所示，负载电压范围为13.5 V，输出功率为1.82 W，接近设计值，效率82.7%。
C类功率放大器可产生调幅波输出，其电路分为基极调幅和集电极调幅。基极调幅所需的驱动功率较小，但线性范围较小，不易调节。集电极调幅线性范围较大，但所需的驱动功率较大。这里设计了一个集电极调幅电路Multisim模拟10，电路如图7所示。
集电极调幅电路应处于过压状态，最大输出应设计在临界状态。T1:1音频变压器，设置方法见参考文献[5]，调制信号频率为10 kHz。前驱动电路简化为V1信号源。输出波形如图8所示。
4 结论
利用MATLAB编程优化功率放大器输出网络的编程设计，可以快速确定电路方案和元件参数，大大降低功率放大器设计的工作量，提高工作效率。
该方法不仅可用于放大器输出网络的设计，也可用于分级网络的设计。它不仅可用于C类功率放大器的设计，也可用于其他调谐功率放大器的设计。
在这个例子中，不考虑晶体管的输出电容，输出电容对匹配电路有一定的影响。如果要考虑输出电容，只需在电流源后端添加并联电容，设计结果就会更准确。晶体管的输出电容是一个与晶体管偏置状态有关的变化值。即使不考虑晶体管的输出电容，输出波形也相当理想。
参考文献
[1] 于洪珍.通信电子线路(第一版)[M].北京：2005年清华大学出版社.
[2] 马鹏飞。高性能低功耗射频功率放大器的设计[D].西安：2007年西安电子科技大学.
[3] 林云，曾浩，胡文江.射频通信电路[M].武汉：2009年华中科技大学出版社.
[4] REINHOLDLUDWIG.射频电路设计-理论与应用[M].王子宇，王心悦，翻译.北京：2002年电子工业出版社.
[5] 高磊.Multisim变压器参数分析与应用[J].2014年33(14)微型机及应用:85-87.