[VIP專享]射頻功放設(shè)計.doc

1、基于 ADS的射頻功率放大器仿真設(shè)計1. 引言各種無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，如GSM、 WCDMA、TD-SCDMA、 WiMAX和 Wi-Fi ，大大加速了半導(dǎo)體器件和射頻功放的研究過程。射頻功放在無線通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它的設(shè)計好壞影響著整個系統(tǒng)的性能。因此，無線通信系統(tǒng)需要設(shè)計性能優(yōu)良的放大器。而且，為了適應(yīng)無線系統(tǒng)的快速發(fā)展，產(chǎn)品開發(fā)的周期也是一個重要因素。另外，在各種無線系統(tǒng)中由于采用了不同調(diào)制類型和多載波信號，射頻工程師為減小功放的非線性失真，尤其是設(shè)計無線基站應(yīng)用的高功率放大器時面臨著巨大的挑戰(zhàn)。采用AgilentADS 軟件進行電路設(shè)計可以掌握設(shè)計電路的性能，進一步優(yōu)化設(shè)計

2、參數(shù)，同時達到加速產(chǎn)品開發(fā)進程的目的。功放（ PA）在整個無線通信系統(tǒng)中是非常重要的一環(huán)，因為它的輸出功率決定了通信距離的長短，其效率決定了電池的消耗程度及使用時間。2. 功率放大器基礎(chǔ)2.1 功率放大器的種類根據(jù)輸入與輸出信號間的大小比例關(guān)系，功放可以分為線性放大器與非線性放大器兩種。輸入線性放大器的有A、 B、 AB類；屬于非線性放大器的則有C、E 等類型的放大器。（ 1） A 類：其功率器件再輸入信號的全部周期類均導(dǎo)通，但效率非常低，理想狀態(tài)下效率僅為 50%。（ 2） B 類：導(dǎo)通角僅為 180 ，效率在理想狀態(tài)下可達到 78%。（ 3） AB類：導(dǎo)通角大于 180 但遠小于 360

3、。效率介于 30%60%之間。（ 4） C類：導(dǎo)通角小于 180 ，其輸出波形為周期性脈沖。理論上，效率可達100%。（ 5） D、 E 類：其原理是將功率器件當(dāng)作開關(guān)使用。設(shè)計功放電路前必須先考慮系統(tǒng)規(guī)格要求的重點，再來選擇電路構(gòu)架。對于射頻功放，有的系統(tǒng)需要高效率的功放，有些需要高功率且線性度佳的功放，有些需要較寬的操作頻帶等，然而這些系統(tǒng)需求往往是相互抵觸的。例如，B、C、E 類構(gòu)架的功率放大器皆可達到比較高的效率，但信號的失真卻較為嚴(yán)1重；而 A 類放大器是所有放大器中線性度最高的，但它的最大缺點是效率低，這些缺點雖然可以用各種HarmonicTermination電路的設(shè)計技巧予以改

4、進，但仍無法提高到與高效率的功放相當(dāng)?shù)乃?。具有高效率、高線性度及高功率的功放乃電路設(shè)計者所努力的終極目標(biāo)。2.2放大器的主要參數(shù)1）1dB功率壓縮點當(dāng)放大器的輸入功率非常低時，功率增益為常數(shù)，放大器工作在線性區(qū)。當(dāng)輸入功率增大時，受到放大管非線性影響，放大器功率增益逐漸被壓縮，限制了最大輸出功率。通常取輸出增益比線性增益小1dB 的位置來定義放大器工作范圍的上限，也就是1dB 輸出功率壓縮點。2) 功率增益3) 效率在輸入功率轉(zhuǎn)換成輸出功率過程中，一定會有功率損耗，并且效率與線性度往往都是相互抵觸的，因此再設(shè)計放大器電路時必須視系統(tǒng)要求而做適當(dāng)取舍。以下為一般放大器效率定義：集電極效率cPO

5、utPOutPDCUDC * IDC功率附加效率 PAEPOut PInPDC總效率POutTPInPDC4）失真諧波失真：當(dāng)功放輸入單一頻率信號時，在輸出端除了放大原信號外，原信號的各次諧波也被放大，因此極有可能干擾到其他頻帶，故在系統(tǒng)中均有明確的諧波衰減量的規(guī)定。AMto PM Conversion:當(dāng)輸入功率較大時，因S21包含振幅與相角，而相移會隨著振幅增加而改變，則原本的AM調(diào)變會轉(zhuǎn)而影響 FM調(diào)變的變化?；フ{(diào)失真：當(dāng)放大器輸入端輸入兩個頻率分別為f cfm 、 fcfm 的信號時，在放大器的輸出端除了輸入信號燈各次諧波外，還會出現(xiàn)因輸入信號頻率2間的和差所產(chǎn)生的互調(diào)失真信號，對系統(tǒng)

6、產(chǎn)生的傷害主要集中在載波頻率fc 附近的三次、五次等奇數(shù)階次的互調(diào)失真信號。互調(diào)失真信號因與載波頻率fc 太過接近，難以利用濾波器將它消除，并且又極易干擾相鄰頻率。2.3負載牽引設(shè)計方法通常功率放大器的目的是以獲得最大輸出功率為主，這將使得功率放大器的功放管工作在趨近飽和區(qū)。 S 參數(shù)會隨著輸入信號的改變而改變，尤其 S21 參數(shù)會因輸入信號燈增加而變小。因此，轉(zhuǎn)換功率增益將因功率元件工作在飽和區(qū)而變小，不同于輸出功率與輸入信號成正比關(guān)系的小信號狀態(tài)。換句話說，原本功率元件工作在小信號工作狀態(tài)，輸出 / 輸入端都設(shè)計在共軛匹配的最佳情況下，隨著功率元件進入非線性區(qū)，輸入 / 輸出端的共軛匹配就

7、逐漸不再匹配。此時，功率元件就無法得到最大的輸出功率。所以設(shè)計功放的關(guān)鍵在于匹配網(wǎng)絡(luò)，這可以利用負載牽引（ Load-Pull ）原理找出功率放大器最大輸出功率時的最佳外部負載阻抗 ZL。Load-Pull 是決定最佳負載阻抗值最精準(zhǔn)的方法，用來模擬及測量功放管在大信號時的特性，如輸出功率、傳輸功率增益、附加功率效率，以及雙音交調(diào)信號分析的線性度 IMD3和 IP3 。功率放大器在大信號工作時，功率管的最佳負載阻抗會隨著輸入信號功率的增加而改變。因此，必須在 SmithChart 上，針對給定一個輸入功率值時繪制出在不同負載阻抗時的等輸出功率曲線，幫組找出最大輸出功率時的最佳負載阻抗，這種方法

8、成為 Load-Pull 。我們可以利用負載牽引的原理，通過AgilentADS來構(gòu)建模擬平臺。功放設(shè)計最主要的目的就是得到最大的輸出功率，所以需要有良好的輸入 / 輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)匹配主要用于提供足夠高的增益，而輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)則用于輸出要求的輸出功率。2.4 PA 設(shè)計的主要步驟設(shè)計功率放大器包括一系列步驟，如功率晶體管的選擇、匹配設(shè)計、偏置電路的設(shè)計和 EMC問題。本設(shè)計采用了飛思卡爾半導(dǎo)體的LDMOS晶體管MRF9045N，在 ADS環(huán)境下仿真該電路的特性。3本設(shè)計步驟如下：直流掃描穩(wěn)定性分析Load-Pull運用 Smithchart進行匹配Source-Pull電路優(yōu)

9、化設(shè)計電路 Layout2.5 PA 設(shè)計參數(shù)本設(shè)計 PA的參數(shù)如下：頻率： 945MHz輸出功率： 45W輸入功率： 1W效率： 40%電源電壓： 28V功率管 MRF9045N的主要指標(biāo)如下：頻率： 945MHz電源電壓： 28V輸出功率： 45W前期功率增益： 18.8dB效率： 42%IMD：-32dBc3 設(shè)計過程3.1直流掃描經(jīng)過直流掃描仿真得出管子的直流I-V 曲線，從而確定放大器所需的靜態(tài)工作點。找到靜態(tài)工作點，也就基本確定了放大管的工作狀態(tài)。本設(shè)計功放管為 AB類，所以選取 VGS3.6 V， I DS368mA ，作為靜態(tài)工作點。4圖 1 直流掃描模板的圖 2 I-V 曲線

10、圖標(biāo)5該仿真數(shù)據(jù)和 Datasheet 中的數(shù)據(jù)相比，電流稍大，電壓稍低，這是模型和實際放大管之間的誤差，完全可以容忍。3.2穩(wěn)定性分析根據(jù)實際的靜態(tài)工作點，添加元器件 DC_Feed、DC_Block、 S 參數(shù)掃描控件等，進行穩(wěn)定性的掃描。圖 3 穩(wěn)定性掃描原理圖圖 4 仿真結(jié)果顯然，在以 1M3G 頻率范圍內(nèi)，電路穩(wěn)定因子StabFcact基本上小于 1，6電路并不穩(wěn)定，需要添加維穩(wěn)措施。電路中增加了RC 并聯(lián)電路及偏置電路。圖 5 維穩(wěn)后的電路圖 6 與仿真結(jié)果對比圖 4、圖 5，很顯然，在以 f=945MHz為中心的非常寬的頻帶內(nèi)，電路穩(wěn)定因子 StabFact1 。為后續(xù)的設(shè)計工作

11、做好了準(zhǔn)備。73.3負載牽引設(shè)計 Load-Pull插入 Load-Pull 模板，將原有的砷化鎵 FET模型刪除，替換為加入了偏置電路后的 MRF9045N電路，并進行一些修改，得到如下原理圖。圖 6 修改后的原理圖圖 7 確定 Load-pull 圓8經(jīng)過反復(fù)調(diào)整，使功率圓和效率圓的圓心均能顯示。最后選擇了S11_center=-0.682+j*0.123，S11_rho=0.308 。修改 Zo 為 50，得到最大輸出功率時功放管的輸出阻抗Z=1.0+j*2.1 。圖 8 最大輸出功率時的輸出阻抗利用 Smithchart 進行匹配，調(diào)用匹配控件，建立如下匹配電路原理圖。圖 9 輸出匹配

12、原理圖在 smithchart 上完成匹配前，應(yīng)考慮到功放管電極最大尺寸為96.35*5.59 ，在 FR4上阻抗，最大阻抗為23Ohm，電長度最短為14.2deg 。圖 10 MRF9045N 電極阻抗計算圖 11 使用 smithchart 匹配10用實際元件替代輸出匹配電路，并且進行參數(shù)優(yōu)化，力圖得到性能良好的電路，電路和仿真結(jié)果如下。圖 12 實際元件替換與參數(shù)優(yōu)化圖 13 優(yōu)化后的仿真結(jié)果3.4源阻抗?fàn)恳O(shè)計 Source-Pull11和 Load-Pull 的設(shè)計方法一樣，首先調(diào)整好 Source-Pull 的范圍，進而得到輸入阻抗的值為 1.125-j*1.474 。圖 14 輸

13、入匹配原理圖圖 15 生成的電路圖 16 仿真結(jié)果的對比123.5 電路優(yōu)化設(shè)計經(jīng)過諧波平衡仿真，得知在輸入功率為 30dBm（1w）時，功放的輸出功率、附加效率、 1dB壓縮點均不符合要求，增益也嚴(yán)重偏低。因此，在輸入、輸出電路中加入了 MTaper、 MTee元件，偏置電路中加入了更多的去耦電容，對微帶線進行了優(yōu)化。圖 17 優(yōu)化后的原理圖圖 18 電路仿真結(jié)果3.6 電路參數(shù)的測試13建立模型將優(yōu)化后的原理圖中的所有控件、Term 及電源，用 Port 代替。選取合適的模型圖表，對原理圖進行封裝，得到如下模型。MRF9045N_symbolX1圖 19 模型圖標(biāo)IMD3和 IMD5的測試

14、插入模板 HB2TonePAE_Pswp，并將 MRF9045N_Symobl添加到原理圖中。圖 20 放入 MRF9045N_Symbol14圖 21 頻譜仿真結(jié)果3.7版圖 layout圖 22 本項目自動生成的版圖154. 小結(jié)本文主要簡介了射頻功放的基本原理、概念和設(shè)計的一般步驟。在設(shè)計的過程中，參考了相關(guān)的文獻，加深了對功放設(shè)計的理解、熟悉了AgilentADS的使用。但是，僅僅限于淺薄的水平，仍有很多不解之處，仍有許多工作要做。參考文獻：1徐興福 .ADS2008 射頻電路設(shè)計與仿真實例 M. 北京 : 電子工業(yè)出版社2陳艷華 , 李朝輝 , 夏瑋 .ADS 應(yīng)用詳解 : 射頻電路設(shè)計與仿真 M. 北京 : 人民郵電出版社3ReinholdLudwing,PavelBretchko.RFCircuitDesignTheoryandApplicationsM.北京：科學(xué)出版社4閆博 . 基于 ADS的射頻功率放大器的仿真和設(shè)計D. 長沙 : 國防科技大學(xué) ,20105南敬昌 . 基于 ADS軟件的射頻功率放大器仿真實現(xiàn)J. 葫蘆島：遼寧工程技術(shù)大學(xué) ,20076 孟海成 . 基于 ADS的 19