射頻功率放大器地設(shè)計

1、實用標準文案命兩）學/學照倒學院NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY MING DE COLLEGE本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題目用于通信系統(tǒng)終端的 PA的設(shè)計與實現(xiàn)專業(yè)名稱通信工程學生姓名張永祥指導教師鄒聽畢業(yè)時間2016 年6月畢業(yè)烈任務書一、題目用于通信系統(tǒng)終端的PA的設(shè)計與實現(xiàn)二、指導思想和目的要求現(xiàn)階段，當代社會無線通信技術(shù)飛速的發(fā)展。 在我們的日常生活中，諸如藍 牙,WiFi等無線通信技術(shù)隨處可見，目前無線通信系統(tǒng)已經(jīng)全面進入4G時代，未來又將步入5G時代。功率放大器雖然只是無線通信系統(tǒng)中很小的一塊，然而 其設(shè)計的好壞卻關(guān)系著系統(tǒng)整體的性能， 目前，

2、世界上無線通信用戶的人數(shù)逐年 的遞增，它的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)相當成熟。由于通信業(yè)的飛速發(fā)展，對于功率放大器 我們也提出了新的要求，我們要設(shè)計出性能良好的放大器來支撐整個無線通信系 統(tǒng)。AB類功率放大器是一個相對在效率和線性度折中的一種放大器，是功率放 大器最為常用的一種形式，應用十分廣泛。AB類功率放大器處在A類和B類放大器中間的位置，導通角在180。360。這個范圍。在確定放大器指標后，首先 要對采用的晶體管進行直流工作點的掃描分析，以獲得最佳的工作狀態(tài)。完成晶體管支流掃描后，還需要對射頻功率放大器電路的穩(wěn)定性進行分析，以保證其工作的穩(wěn)定。對于射頻放大器，往往用的是在輸入端進行阻抗匹配的共腕匹配，

3、 共 腕匹配是一種常見的處理方法，這樣做可以很大的范圍內(nèi)降低功率的反射， 功率 的反射整個電路影響非常大。另外，在輸出端，我們一般用負載線匹配的方式。 在真正進行放大器的操作實驗時，我們會采用Loadpull曲線，Loadpull曲線可以確定匹配阻抗的阻值，讓我們了解參數(shù)的范圍。通過使用 Loadpull ,我們可 以得知當最大功率輸出時的阻抗點是多少。三、主要技術(shù)指標本次以一個A聯(lián)功率放大器使用ADS2009c件進行射頻功率放大器的設(shè)計， 設(shè)計一個指標為工作頻率：900MHz 1dB壓縮點輸出功率：35dBm增益： 20dB 的AB類功率放大器。在完成仿真后，從頻譜中應當可以看到功率放大器在

4、 900Mhz 時輸出最大功率譜信號。四、進度和要求第二三周 了解并明確畢業(yè)設(shè)計題目和方向，完成開題報告和任務書第四五周 查找相關(guān)資料，并學習理論知識第六七周查閱資料，學習ADS200敬件相關(guān)知識，并熟練掌握運用第八九周定設(shè)計方案，設(shè)計原理圖，提交外文翻譯，完成中期檢查報告第十十一周 設(shè)計仿真，分析并解決實驗過程中的錯誤，對仿真設(shè)計進行完善第十二周對設(shè)計系統(tǒng)定型，驗證結(jié)果及修正，對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)結(jié)果進行整理第十三十四周 初步完成畢業(yè)設(shè)計論文的撰寫，并檢查其中的錯誤，對論文進 行校對第十五十六周 完成論文，完成畢業(yè)答辯五、主要參考書及參考資料1徐興福.ADS2008射頻電 路設(shè) 計與仿真實例M.北京

5、：電子工業(yè)出版社.2009.92黃瑞藍.ADS射頻電路的設(shè)計與應用.北京：電子工業(yè)出版社.2011 (2)3車相前.基于ADS1寸頻電路的設(shè)計和仿真.北京：人民郵電出版社.2005 (4)4廖承恩.微波與天線技術(shù)基礎(chǔ)D.南京：南京郵電大學出版社.20055陳亦匡.濾波器的設(shè)計M.北京：人民郵電出版社.1945.86李蓉.濾波器的設(shè)計和仿真D.西安：西安電子科技大學出版社.20087周西朗.微波技術(shù)和天線.西安：西安電子科技大學出版社.2007.58陳鉞穎.基于ADS軟件的射頻電路設(shè)計.北京：北京郵電出版社2013 (11)9吳曉春.當代微波器的設(shè)計和應用D.北京.北京郵電出版社.2010.6學

6、生 指導教師 系主任文檔近年來隨著無線通信的迅速發(fā)展，以無線電波為載體的移動通信、無線局域 網(wǎng)等為代表的現(xiàn)代通信網(wǎng)成為了支撐現(xiàn)代經(jīng)濟的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之一，功率放大器作為射頻發(fā)送機前端最為重要的電路部分， 在很大程度上決定了發(fā)送機整體性能， 其 設(shè)計的好壞影響著整個系統(tǒng)的性能。 例如，其輸出功率決定無線信號通信距離的 長短，其效率決定無線通信設(shè)備電池使用時間等。本文通過運用ADS200的真軟件，詳細的介紹了設(shè)計放大器的過程，最終設(shè) 計出了一個A球射頻功率放大器。本文主要內(nèi)容如下：1 .介紹了射頻放大電路的一些基本理論， 了解了一些射頻電路的知識，另外 介紹了一些射頻電路中常見的指標，比如 S參數(shù)，穩(wěn)定

7、性，史密斯圓圖，傳輸線 理論等。2 .分析了功率放大器的基本原理，介紹了功率放大器的設(shè)計過程中需要哪些 指標，對它們進行了解釋說明，另外給出了放大器的各種分類。3 .系統(tǒng)的介紹了如何設(shè)計一個有具體指標要求的 A球功率放器，通過利用 ADS200兆成了功率放大器設(shè)計過程中一系列的操作，采用負載牽引法等多種措 施完成了設(shè)計要求，然后對放大電路中的多個性能指標進行了仿真參數(shù)的優(yōu)化， 最終完成達到預先的設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：功率放大器，晶體管，負載牽引法ABSTRACTIn recent years, with the rapid development of wireless communication

8、, radio waves as the carrier of mobile communications, wireless local area network as the representative of modern communication network has become one of the modern economy, infrastructure support, as the RFtransmitter power amplifier front end of the most important circuit part, to a large extent

9、determine the overall transmitter performance, the design quality affects the performance of the whole system. For example, determine the length of the output power of the wireless signal communication distance, which determines the efficiency of the wireless communication device battery life time.W

10、ith the help of the powerful ADSsimulation software for transistor modeling, on this basis for the stability of the transistor was analyzed, using the load-pull method combined with the Smith chart for input and output impedance matching circuit simulation optimization design . The main contribution

11、s are as follows:1. RF amplifier circuit introduces some basic theory, from the physical structure of the power amplifier analyzes the causes of the RF power amplifier nonlinear characteristic generated and its impact on the communication system, and introduces the Smith chart, stable circuit techno

12、logy.2. The basic principle of the power amplifier, power amplifier understanding of classification, introduced the technical specifications of the RF power amplifier.3. RF power amplifier gives the detailed design process, the use of ADS simulation software, to complete a variety of measures to com

13、pletepower amplifier design process, the application of load-pull method or the like to complete the design requirements, a plurality of amplifier circuit performance simulation optimization .KEY WORDSpower amplifier, transistor , load-pull method第一章 前言 11.1 課題研究的目的及其意義 11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.3 本文主要工作和內(nèi)容安排

14、 2第二章射頻放大電路設(shè)計的基本理論 42.1 射頻電路設(shè)計簡介 42.2 器件模型 42.2.1 非線性雙極型器件模型 52.2.2 非線性場效應晶體管器件模型 52.3 傳輸線理論 62.4 史密斯圓圖 82.5 S參數(shù) 92.6 穩(wěn)定性 10第三章功率放大器的基本原理和參數(shù) 123.1 功率放大器基本原理 123.2 功率放大器的性能參數(shù) 143.2.1 輸出功率 153.2.2 功率增益 153.2.3 效率 163.2.4 線性度 16第四章射頻功率放大器的仿真設(shè)計與分析 194.1 射頻功率放大器的設(shè)計概述 194.1.1 功率放大器的設(shè)計步驟 194.1.2 功率放大器的指標 1

15、94.2 射頻功率放大器仿真設(shè)計軟件的介紹 194.3 射頻功率放大器的仿真 204.3.1 靜態(tài)工作點的選擇 204.3.2 偏置及穩(wěn)定性分析 224.3.3 輸入輸出匹配 234.3.4 諧波平衡仿真 264.3.5 電路優(yōu)化設(shè)計 28第五章全文總結(jié) 31參考文獻 33致謝 34畢業(yè)設(shè)計小結(jié) 35第一章 前言1.1 課題研究的目的及其意義信息交流是人類社會的重要基礎(chǔ)，人和人之間不斷的需要通信，人類社會的 進步和通信的發(fā)展有著密切的關(guān)系。 特別是進入21世紀，以無線電波為載體的移 動通信、無線局域網(wǎng)等為代表的現(xiàn)代通信網(wǎng)呈爆炸式發(fā)展， 發(fā)展極其迅速。因此， 作為無線通信核心的射頻(Radio-

16、Frequency)電路設(shè)計自然而然成了工程師和 科研工作者關(guān)注的焦點。通信業(yè)正在用驚人的速度飛速發(fā)展，潛移默化的影響著人們的通信交流的方 式。如今社會進入到了飛速發(fā)展的信息時代，很大程度上改變了人們的工作、學 習方式，當今人們已經(jīng)不能離開對信息的需求， 人們對信息所追求的目的是能迅 捷的和通信對象進行交流。近年來無線通信系統(tǒng)經(jīng)歷了一場快速而又激烈的技術(shù) 變革，因此導致其軟件到硬件都要變革。功率放大器作為重要的硬件模塊，具很多 特性指標如功率輸出、線性度、可靠性等對無線通信很重要，因此也在不斷變革。 當今通信的特征有多載波、大容量、多電平和較高的峰均比等，所以應該用更高 的要求來設(shè)計功率放大器

17、。放大器很大程度上明確了發(fā)送機的整體性能。 它在無線通信中扮演著重要的 角色。該部件不但占據(jù)了設(shè)備的大部分體積， 同時也是設(shè)備中的主要能量消耗部 件，還占有相當部分的設(shè)備成本。因此，研究出高性能的射頻功率放大器是十分 必要的。在一個無線通信系統(tǒng)中，只有前端的一小部分電路工作在射頻頻段， 即就是 通常所說的射頻前端電路，其余的電路都是進行低頻的基帶模擬和數(shù)字信號處 理。通常射頻前端電路會包括射頻功率放大器等電路。盡管這部分電路的器件數(shù)量比基帶電路少得多，但仍然是整個系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵所在， 每一步都顯得極其重 要，每一步都應該非常仔細。設(shè)計射頻電路是一個極其漫長的過程，在設(shè)計過程中往往會受到各種因素

18、的影響，比如伴隨功率放大器工作頻率的升高，我們需要預估功率放大器電性能， 另外因為大信號模型的缺乏，使得功率放大器的分析和設(shè)計也會變得非常復雜。 因此選擇一個合適的仿真軟件對器件進行仿真將會相當重要。在本文中將選用由美國Agilent公司推出的ADS件進行電路仿真，通過ADS件可以減少人們的 計算量，節(jié)省人力物力，提高了設(shè)計電路的速度。AD欹件是一款如今發(fā)展非常成熟的軟件，得到了大家的充分認可。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著世界的進步，無線射頻微波通信技術(shù)的產(chǎn)生對通信技術(shù)的發(fā)展起到了重 要的作用。射頻功率放大器相對其他器件有著非常多的優(yōu)點，廣泛應用日常生活和工作之中。影響著我們每一個人的生活，當今

19、社會的快速發(fā)展要求射頻電路也 要與時俱進，隨著新技術(shù)的不斷完善，對射頻功率放大器我們也要求其必須有著 更好的有效性與可靠性。同時由于時間變化，信號幅度也在產(chǎn)生很大的變化，所 以射頻功率放大器應當有著良好的線性度才可以；為了降低移動通信的成本，便于熱控制，所以效率也應當提高；另外在 3G移動通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的傳輸速率 應當要達到3Mbit/s ,每個單獨的信號帶寬應該達到 6MHz這樣就需要其應當具 有寬帶特性；以上這么多問題，都是我們需要對未來射頻功率放大器的提高，只有這樣才能跟得上時代的進步。在設(shè)計放大器的過程中，我們需要進行穩(wěn)定性分析，選擇合適的晶體管類型， 目前，針對第三代通信系統(tǒng)開發(fā)的

20、放大器廠家主要有飛思卡爾、菲利浦和 ADI 等。在設(shè)計的過程中，要考慮到器件的各個參數(shù)性能，從而便于我們使用更好的 偏置電路。1.3 本文主要工作和內(nèi)容安排本文通過對射頻電路和射頻電路相關(guān)指標的介紹，以及功率放大器的分類和 各個參數(shù)分析。對放大器進行了系統(tǒng)的分析和研究，說明了整個設(shè)計過程，最 后根據(jù)要求的指標設(shè)計出了具有高線性度的 A球射頻功率放大器。第一章是文章的前言部分，簡明扼要的介紹了所選課題的目的， 并給出了放 大器當前在國內(nèi)和國外的發(fā)展現(xiàn)狀，給大家一個對于功率放大器的初步認識。第二章系統(tǒng)的介紹了射頻電路基本理論， 通過了解射頻電路理論，掌握相關(guān) 電路知識，同時介紹了射頻電路中常見的參

21、數(shù)。第三章給出了射頻功率放大器的基本原理，對研究中使用的仿真軟件ADSt了簡單介紹。第四章是設(shè)計功率放大器的具體流程， 給出了每一步的設(shè)計步驟，同時給出 了電路圖以及仿真優(yōu)化結(jié)果第五章是全文總結(jié)，總結(jié)了設(shè)計功率放大器研究過程中所遇到的問題， 以及 對本次設(shè)計自己的一些見解與看法。第二章射頻放大電路設(shè)計的基本理論2.1 射頻電路設(shè)計簡介在一個無線通信系統(tǒng)中，只有前端的一小部分電路工作在射頻頻段，其余的 電路都是進行低頻的基帶模擬。一般而言，射頻前端電路包括射頻功率放大器等 電路。盡管這部分電路的器件數(shù)量比基帶電路少很多，但是仍然是整個無線通信系統(tǒng)成敗的重要因素。射頻電路設(shè)計要求電路設(shè)計要求電路設(shè)

22、計者掌握多學科領(lǐng)域的相關(guān)知識。比如通信原理、微波原理、集成電路設(shè)計等，這些學科的知識在一定程度上互不關(guān) 聯(lián)，但從射頻系統(tǒng)的宏觀層面上又緊密地聯(lián)系在一起；通信原理為系統(tǒng)構(gòu)架了基 本的調(diào)制、解調(diào)和基帶數(shù)字信號處理方案接收、發(fā)送機系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃了接收機、 發(fā)送機的結(jié)構(gòu)，集成電路設(shè)計理論實現(xiàn)了射頻系統(tǒng)所需要的每一個芯片，因此隨著射頻系統(tǒng)設(shè)計向著更高的集成度、更低成本、更先進的解決方案方向發(fā)展，射 頻工程師所要準備的知識量大大增加。與模擬集成電路設(shè)計的八邊形法則類似，射頻電路設(shè)計需要在較寬的動態(tài)范 圍和較高的頻率下進行模擬信號處理，因此射頻電路設(shè)計也有著自身的六邊形法 則。除了基站、手機這些人們早已熟知的

23、通信產(chǎn)品之外， 射頻電路技術(shù)還不停地 擴展新的消費和工業(yè)領(lǐng)域，比如：無線局域網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)、射頻標簽、物聯(lián) 網(wǎng)等。2.2 器件模型在常見的設(shè)計中，往往需要用到低噪聲放大器，射頻功率放大器以及有源混 頻器等器件。多年來，已經(jīng)出現(xiàn)了許多有源器件的模型。從信號大小上可分為大信號模型 和小信號模型。場效應晶體管模型中的射頻模型又分為 JFET勺大（小）信號模型、 MOSFET（?。┬盘柲Ｐ?、GaAs MESFET（小）信號模型等。2.2.1 非線性雙極型器件模型因為雙極型晶體管可被考慮為相互作用的 PN結(jié)對，模擬它的非線性特性的途徑與模擬二極管模型是相同的。被定義為I ce = I satexp%c

24、- expV-V-(2-1)式中，I sat是雙極晶體管飽和電流，V是熱電壓，由下式計算(2-2)上式中，q表示電荷，T為絕對溫度，單位是開爾文，k代表玻爾茲曼常數(shù)。圖2-1 大信號Ebers-Moll模型2.2.2 非線性場效應晶體管器件模型在信號與系統(tǒng)的概念中，如果一個系統(tǒng)的輸出可以表示為每個輸入所對應輸出的線性疊加，那么我們稱這個系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，即對于輸入 x At)和xt), 有其對應的輸出yi和y2(t),且可以表示為x11) t y1(t)和x")t y"),那么對應任意常熟a, b有：axi +bx2(t)T ay(t)十 by2(2-3)因此，如果系統(tǒng)不滿足

25、式2-3,則為非線性系統(tǒng)。在射頻電路中，由多種各樣的有源器件所構(gòu)成的“線性”放大器，因為有源 器件的特性是非線性的，所以這也就導致了總會出現(xiàn)許多不同的失真現(xiàn)象。在功率放大器中，只有在輸入信號相對比較小時，放大器才可以近似看作是 一個線性系統(tǒng)；每當輸入信號幅度不斷增大時，系統(tǒng)會逐漸顯現(xiàn)出非線性。非線 性會對系統(tǒng)產(chǎn)生一些不利的影響。這些影響主要包括諧波、增益壓縮、阻塞、互 調(diào)以及交調(diào)效應。2.3傳輸線理論在電路理論中存在一個假定：當我們不考慮導線的粗細和長度時， 電壓和電 流在我們所研究的導線上是不一樣的， 有著很大的區(qū)別。傳輸線理論即就是導線 長度和波長可比，導線長度方向，電壓和電流也是不相等的

26、，傳輸線是場分析與 基本電路理論相聯(lián)系的通道。隨著工作頻率的升高，波長會不斷減小，當波長可 與電路的幾何長度互相比較時，傳輸線上的電壓與電流會隨著空間位置的變化而 不斷發(fā)生著變化，使得電壓與電流呈現(xiàn)出波動性， 這與低頻電路恰恰不同。封裝 引線兩端電壓電流由于所謂的長線效應而有較大區(qū)別，電路設(shè)計時必須考慮。下面介紹一下傳輸系統(tǒng)的分類：傳輸系統(tǒng)是用來傳輸電磁能量的線路，和低頻段不同，射頻微波傳輸線的種 類繁多，從大類上分有三種：(1) TEM®傳輸線，包括微帶傳輸線。(2)波導傳輸線，比如矩形和橢圓波導。(3) 表面波傳輸線，如常見的介質(zhì)導波和單根線。1、雙線傳輸線作為TEM或傳輸線之一

27、，雙線傳輸線能將高頻電能從一點傳到另一點。 導線 輻射損耗非常之高，所以雙線是有有一定范圍地應用在射頻領(lǐng)域。 必須考慮分布電路特性。2、同軸線傳輸線更為普遍的例子是同軸線，中心的銅芯用來傳送高電平的，它被絕緣 材料纏繞著；傳輸?shù)碗娖绞褂猛鈬慕饘俦觼韨鬏敚?同時起到隔離作用。當其 頻率增加到20Ghz時，近乎全部的檢測裝置的外接線都為同軸線，在同軸線中， 往往外導體是接地的，因此輻射損耗和場外干擾非常小，同軸線中介質(zhì)材料為聚 乙烯。3、微帶線微帶線是當今相對用途廣泛的一種平面?zhèn)鬏斁€， 它可以通過使用光繪文件來 加工，并且容易與其他無源或者有源的微波器件集成。微帶線是準TEM奠式，它的相速和特

28、征阻抗可以由靜態(tài)或準靜態(tài)解獲得。微帶線又稱為非對稱微帶或標準 微帶，是一種單接地板介質(zhì)傳輸線。它是由雙導體傳輸線逐漸變化過來的， 即用 一個非常薄的理想導體板進到雙導體內(nèi)， 把其中一側(cè)的圓柱移去，再把留下的導 體改成帶狀，并在它與金屬板間加入介質(zhì)材料構(gòu)成， 微帶線的電力線分布是左右 對稱，上下不對稱，反之帶狀線則是左右對稱，上下也對稱，所以微帶線也稱為 非對稱微帶線。 微帶線適合制作集成電路的平面結(jié)構(gòu)傳輸線。具重量輕，成本 低。傳輸線方程是描述傳輸線上的電壓和電流的運動狀態(tài)，和它們之間的緊密聯(lián)系。對于一個傳輸線，其電壓與電流關(guān)系如下式：-H (z, t) /£z = R (z,t)

29、+ Ldi(z,t) / ct(2-4)-ci ( z, t) /方z = Gv (z,t) + Cv(z,t) / ct(2-5)傳輸線方程即就是公式2-4和2-5。傳輸線正弦信號源的一個源端接角頻率 為，傳輸線上V和I的可表示如下：v(z, t)= ReV(z)ejwt(2-6)i(z,t)= ReI(z) ejwt(2-7)于是即可得傳輸線方程：-dV/ dz= (R +jwL)I(2-8)-dI/ dz= (G +jwC)V(2-9)上式中，Z = R + jwL是單位長度的串聯(lián)阻抗，Y = G + jwC是傳輸線單位長 度的并聯(lián)導納。2.4 史密斯圓圖在射頻微波工程中，最基本的運算是

30、反射系數(shù) 七、阻抗Z和駐波系數(shù)VSWR 之間的關(guān)系，它們是在已知特征參數(shù)：特征阻抗 Z0、相移常數(shù)P和長度L的基 礎(chǔ)上進行。史密斯圓圖是把特征參數(shù)以及工作參數(shù)有效的連接在了一起。從 20 世紀初期史密斯圓圖的出現(xiàn)以來，因為它的簡單，方便和直觀等特點，這么多年 就一直保留了下來。史密斯圓圖同時也稱為阻抗圓圖，史密斯圓圖的基本思想有 如下三條所描述：(1)特征參數(shù)歸一化思想是形成史密斯圓圖的重要所在，具包含了阻抗歸 一化以及電長度歸一化。阻抗千變?nèi)f化，現(xiàn)在用特征阻抗歸一化，統(tǒng)一起來進行 研究。在射頻系統(tǒng)中，一般認為特征阻抗 Zo為50Q。電長度歸一化不僅包含了 相移常數(shù)，而且隱含了角頻率。(2)以

31、系統(tǒng)不變量r作為史密斯圓圖的基底。在無損耗傳輸線中， 是系 統(tǒng)的不變量，所以由從0至U1的同心圓作為史密斯圓圖的基底， 使我們可能在 一個有限空間表示全部工作參數(shù) 、Z和VSWR以公式表示為：r (z。= re-j2(V = |Fej(中 一 理=|r|ejtp(2-10)其中，平的周期是1/2人(3)將阻抗、駐波比關(guān)系嵌套在圓上。此時史密斯圓圖的核心想法可以說明是：消去特征參數(shù)Z。，把P歸于相位；工作參數(shù)r為基底，同時包含了 z和 VSWR一個典型的史密斯圓圖是電阻圓和電抗圓的組合，在阻抗圓圖的上半部分 中，x為正數(shù)，意思是阻抗為感性。阻抗圓圖的下半部分 x負數(shù)，意思是阻抗為 容性。圓圖上的

32、任何一點映射著一個反射系數(shù)以及一個歸一化的阻抗Z。史密斯圓圖可以廣泛應用于射頻微波放大器， 振蕩器，阻抗匹配等多種射頻 電路中?？梢岳盟鼇硗瓿芍T如讀取阻抗，導納，發(fā)射系數(shù)等參數(shù)指標，也可以 通過進行LC和傳輸線匹配，解決電路中的問題所在，同時處理電路增益與平穩(wěn)系數(shù)等工作。2.5 S參數(shù)射頻放大電路中，低頻時選擇的斷路、短路試驗法則已經(jīng)不能再適用下去， 這是由于工作頻率很高時，短路的傳輸線會產(chǎn)生電抗效果，斷路相當于電容。射 頻電路研究中一般采用散射參數(shù)法，即選擇S參數(shù)，使用二接口的分析方法以此 來確定射頻器件的特征。使用入射電壓波和與其對應的反射波的做法確定網(wǎng)絡中的進出關(guān)系即就是S參量法。如下

33、圖2-2,端口 1的入射波為ai , bi為端口 1的反射波，a2為端口2的入射波，b2為端口 2的反射波。圖2-2 二端口網(wǎng)絡圖2-3 S參數(shù)模型2端口反射波1端口入射波(2-11 )(2-12)圖2-3為S參數(shù)模型。S參數(shù)定義為:b1=1端口反射波a1a- 1端口入射波1 «2b2a2ai =0Sl2 = 3a2ai =02端口反射波2端口入射波1端口反射波2端口入射波(2-13)(2-14)在兩端口網(wǎng)絡中，S參數(shù)的實際表示為：Sii是輸出端口 2匹配時輸入端口 1的電壓反射系數(shù)；S21是端口 2匹配時正向電壓傳輸系數(shù)，相當于一個方向的電壓增益，經(jīng)過兩兩互乘之后得到正向功率的增益

34、；S12為端口 1匹配時網(wǎng)絡反向電壓傳輸系數(shù)，也就是所謂的反向電壓增益，平方后可以得到反向功率增益；S22 是端口 1匹配時端口 2的電壓反射系數(shù)。2.6穩(wěn)定性在功率放大器的實踐中，穩(wěn)定性問題是這之間最重要的事情，如何保持一個造成一S參數(shù)等指了解一個電電路穩(wěn)定，是必須解決的。當電路穩(wěn)定之后，其余的參數(shù)才能給予考慮 個電路有很大起伏的原因多種多樣，這之間其核心作用的是晶體管 標。進行一個放大器設(shè)計前，首先應當確定晶體管有沒有具有穩(wěn)定。路是否具有穩(wěn)定，定義公式是：1 - S11- 1s221+ B1 = 1 +21s2割2S11- S22(2-15)(2-16)(2-17)其中,=S11S22 -

35、 S12 . S21如果K>1,B>0都符合的前提下，那么這個電路則具有了穩(wěn)定性,若是沒有B2 =1 + 同22 - S11符合上述要求,即電路里有著一些影響電路不穩(wěn)定的條件， 此時就需要想辦法使得電路穩(wěn)定。本次做放大器采用的ADSa件，在軟件中我們就用上面的公式法 K, B來判斷電路是否穩(wěn)定。在仿真控件面板中。StabFactl相當于K,判斷StabFactl是否大于1就行。StabMeasl則為B, StabMeasl大于0即可。圖2-4表示的就是在實踐中往往用到的穩(wěn)定方法。 我們應當關(guān)注的是，在設(shè)計電路中，穩(wěn)定電路一般是加在輸入端口中，因為在輸出端口會有較大的功率消 耗，但在

36、小信號放大中，輸入端在加入電阻之后會使噪聲增加。此外，輸入端加 入電阻后會在某些頻段引起增益損失，一般需通過加入RC, RL, RC頻網(wǎng)絡加以改善以滿足設(shè)計要求。圖2-4放大電路常用穩(wěn)定措施原理圖第三章功率放大器的基本原理和參數(shù)射頻功率放大器(RFPA于一定程度上確定了通信系統(tǒng)的好壞， 為了使讀者 對放大器有一個概念上的掌握和理解， 本章首先介紹功率放大器的基本原理， 再 介紹一些設(shè)計指標參數(shù)，了解了電路原理的基礎(chǔ)上，才能更好地使用ADS進行電 路設(shè)計和仿真。3.1 功率放大器基本原理功率放大器的種類：傳統(tǒng)上，由于射頻功率放大器放大信號的模式， 功率放 大器大致上分為兩個大類：在兩種模式下，分

37、別是放大模式功率放大器和開關(guān)模 式功率放大器。常見的功率放大器分為 A類、B類、C類和AB類功率放大器。對 雙極型晶體管而言，開關(guān)工作模式功率放大器根據(jù)雙極型晶體管所處的端電壓狀 態(tài)，工作在截止區(qū)及飽和區(qū)；相對于場效應晶體管看，開關(guān)工作模式功率放大器 根據(jù)場效應晶體管所處的端電壓狀態(tài)，工作在截止區(qū)或線性區(qū)。開關(guān)模式射頻功 率放大器又可以分為D類、E類以及F類功率放大器。本文主要說明一下 A B、 C和AB類功率放大器。(1) A類功率放大器A類射頻功率放大器為所有功率放大器中線性是最高的，在A類工作狀態(tài)下，晶體管在信號的整個周期內(nèi)都是導通狀態(tài)，導通角為360° o如圖3-1 ,直流偏

38、向點往往定在截至點和飽和點的之間這塊范圍。 此類功率放大器的優(yōu)點是有著良 好的線性度、失真相對小，而其缺點是效率很低、尺寸大并且有較高的熱消耗， 其效率最高只是50%圖3-1 A類放大器的特性曲線(2) B類功率放大器B類功率放大器由兩個不同類型的晶體管構(gòu)成。當輸入信號在正半個周期范 圍時，NPN晶體管導通，PNP晶體管截止；當輸入信號在負半周期范圍時，PNP晶體管導通，NPNft體管截止。這樣在整個信號周期內(nèi)，兩個晶體管可以交替工 作，輸出電流和電壓波形仍然會保持完整。 每個都只有半個周期打開，因此導通 角為180。由于B類功率放大器的晶體管，在一整個周期信號內(nèi)沒有相聯(lián)系， 所以相對于A類放

39、大器，晶體管的靜態(tài)損耗相對較低，效率則要比A類稍高一點。圖3-2 B類特性曲線(3) C類功率放大器C類功率放大器導通角比180。還要低，在晶體管內(nèi)部，很小一部分是連接 著的，而且電流也只是很小的一點。每當信號有失真現(xiàn)象出現(xiàn)，晶體管是工作在 非線性區(qū)，因此通常應當采用一些措施來處理諧波分量。C類射頻功率放大器的最大效率在實際上應當可以非常高，接近 1,然而導通角為0° ,也就是當一個 晶體管處于截止狀態(tài)時候，并沒有功率的輸出。圖3-3 C類特性曲線(4) AB類功率放大器AB類射頻功率放大器，顧名思義，和 A類，B類放大器有很大的聯(lián)系，它是 處在A類和B類功率放大器中一種，無信號輸入

40、時，當有一個靜態(tài)偏置電流存在， AB類放大器在輸入信號的大半個周期都處于導通狀態(tài)，此類放大器導通角在 180°360°之間。因此AB類射頻功率放大器是一個相對優(yōu)缺點比較均勻的一 種放大器，效率與線性度很好折中在一起。這次畢業(yè)設(shè)計我所選擇的功率放大器 就是一個AB類功率放大器。3.2 功率放大器的性能參數(shù)功率放大器的作用主要是放大射頻信號到我們所需要的功率，使接收機可以 接收到信號，因此功率放大器是通信系統(tǒng)中所必須要有的，功率放大器的參數(shù)有 輸出功率、功率增益、效率和線性度等，線性度又包括增益壓縮，諧波失真等， 每一個參數(shù)都決定了最終系統(tǒng)的好壞。3.2.1 輸出功率輸出功率（

41、POut或Pl）是反映功率放大器對外輸出能力的指標，通常有最大（飽和）輸出功率（Psat）和1dB壓縮點輸出功率（PidB ）兩種。根據(jù)功率傳輸特征可以得到，任何一個設(shè)備都有一個自己的活動范圍， 一定程度內(nèi)它們的輸入和輸出 功率保持逐步增加的性態(tài)。對于一個PA在操作過程中為使其有相對較大的輸出能力，所以我們往往讓他們在非線性區(qū)工作，這一點非常重要。當 PA的輸入 功率上升到一定范圍時，放大器輸出功率的上升狀態(tài)也會停止；當輸出功率比線 性遞增時能到達的功率小一些時，例如小1dBm該輸出功率就被叫做1dB壓縮點輸出功率；如果要繼續(xù)增大放大器輸出功率， 就會達到一個位置，在這個位置 輸入功率即使繼續(xù)

42、增加，輸出功率也不再會加大，該位置的輸出功率就稱為最大 輸出功率（Psat）或飽和輸出功率，它是射頻功率放大器的一個非常重要的指標。常見的功率的表示單位有瓦 W 毫瓦（mW）等。常見的輸出功率之外，還有輸入 功率，和表示進出端口連接性能好壞的信源資用功率，網(wǎng)絡可用功率等等。3.2.2 功率增益功率增益對一個放大器的直接影響是反映了放大器的功率放大能力，他是衡量放大器整體性能好壞的一個關(guān)鍵因素，通過功率增益可以看出一個放大器是否 穩(wěn)定。功率增益是輸出功率與輸入功率的比值，表達式為：Gain =9（3-1）Pn功率增益的單位是dB,另外一種表示方法是對數(shù)表示，3-2所示Gain （dB） = P“

43、t（dBm） - Pn （ dBm）（3-2）國際上，對功率增益在一個通信系統(tǒng)中并沒有一個完全標準的方法表示，由于功率增益對于功率放大器是一個非常重要的影響因素，因此功率增益必須在一定范圍內(nèi)才可以，一個功率放大器能輸出多大的功率，這個放大器也應當具有相 同的功率增益才可以。比方一個放大器僅有10dBm勺功率，那么這個功率放大器 也只能有10dBm的功率增益才行。3.2.3 效率功率放大器集電極的射頻輸出功率和直流功耗的比值，這是集電極最大效率的定義，在A類、B類、C類功率放大器中可以表示為：max2： - sin 2：4( sin : - : cos ：)(3-3)式中，2a是功率放大器一個2

44、n周期的導通角。根據(jù)式2-3可以得到A類 功率放大器的效率最大為50%,同理B類為78.5%, C類為100%在A類到C類功 率放大器的過程中，它們的效率從 0.5上升到100%而從輸入端傳到負載上的 功率卻逐漸變小到0,根據(jù)這個可以推出公示3-4:(3-4)3-52： - sin 2：Pmax ="1 - cos 二除此之外，功率附加效率也是重要的參考，功率附加效率的表達式如 所示:PAE 二At - PnPdc, total(3-5) 3.2.4線性度線性度是衡量功率放大器輸出信號與輸入信號比值的線性關(guān)系的參數(shù)。在設(shè)計放大器過程中，當放大器工作在大信號狀態(tài)時，我們必須要考慮晶體管

45、的非線 性效應。(1) 增益壓縮當功率放大器的輸入信號幅度在某一范圍內(nèi)變化時， 輸出信號的幅度與輸入 信號的幅度會呈現(xiàn)線性關(guān)系，即功率增益保持恒定。但隨著輸入信號幅度的增加， 晶體管的工作區(qū)域由線性區(qū)會轉(zhuǎn)向飽和區(qū)， 出現(xiàn)非線性失真，功率放大器的增益 開始下降，或稱其為壓縮。通常用功率增益比線性增益小1dB時的功率點來衡量 一個功率放大器的線性度，這個點稱作 1dB壓縮點。(2) 諧波失真諧波失真是衡量功率放大器的一個重要指標，它是指當功率放大器輸入單一信號時，在輸出端，除了基頻信號被放大以外，原信號的各次諧波也被放大，導 致可能干擾其余的頻帶，這樣的情況下通常需要通過加匹配網(wǎng)絡進行諧波抑制才

46、可以。(3) 交調(diào)失真交調(diào)失真指的是每當射頻功率放大器輸入端的頻率相差非常小時， 這個時候 會出現(xiàn)因為輸入信號的和差而產(chǎn)生的交調(diào)失真信號。 如圖所示，其中，三階交調(diào) 失真(IMD3)因其頻率與載波頻率很近，難以用濾波器消除，容易產(chǎn)生干擾臨近頻率，對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的危害。比如下圖中有兩個不同頻率的輸入信號3和f2, 由于功率放大器具有非線性，輸出信號中將會出現(xiàn)很多很多新產(chǎn)生的分量， 如圖3-4所示。(3-6)mt ± nf2(m. n=0、1、2圖3-4 放大器的交調(diào)失真每個分量分別稱為其m+n階交調(diào)分量。上例其m+n階交調(diào)系數(shù)是：PMm n = 10log - (dBc) P(4) 7

47、)三階交調(diào)失真的定義的基頻信號的輸出功率和三階交調(diào)信號的功率相比之 后的取值，即：IMD3 = Pfi - 圖-(3-8)式中，功率采用dBm為單位，IMD3的單位為dBc, dBc即就是基頻信號的輸 出功率與三階交調(diào)信號dBm的差值。三階交調(diào)點（IP3）的定義是是基頻信號功率和三階交調(diào)信號功率的虛擬延 長線上相交的點，這個點就是三階交調(diào)點。一般而言，三階交調(diào)點的功率大約比 1dB壓縮點的功率要高10dBm（4）錯誤向量幅度發(fā)射機發(fā)射的信號除了不在相鄰通道內(nèi)產(chǎn)生影響外，對它的本質(zhì)要求是通道 內(nèi)的信號具有很高的質(zhì)量，能被接收機準確解調(diào)。錯誤向量幅度（ EVM就是為 了衡量發(fā)射機的信號質(zhì)量而引入的

48、參數(shù)。EVMa是發(fā)射機發(fā)射信號錯誤向量的歸 一化長度。第四章射頻功率放大器的仿真設(shè)計與分析4.1 射頻功率放大器的設(shè)計概述4.1.1 功率放大器的設(shè)計步驟功率放大器設(shè)計通常需要以下幾個步驟。(1)確定指標，選擇工藝并添加設(shè)計所需的工藝庫。(2)按照我們對此放大器的要求與我們所選擇的相應晶體管的特性決定 它的靜態(tài)工作點。(3) 進行功率放大器的電路設(shè)計。(4)對所設(shè)計電路進行仿真，分析仿真曲線并優(yōu)化。4.1.2 功率放大器的指標AB類功率放大器是功率放大器中最常見的一種類型，它較好的利用了效率 和線性度的折中進行設(shè)計。本章就以一個AB類功率放大器來說明如何使用ADS200馱件進行功率放大器的設(shè)計

49、，設(shè)計的 AB類功率放大器指標為：工作頻率：900MHz1dB壓縮點輸出功率：35dBm增益： 20dB。確定設(shè)計指標后，就可以進行功率放大器的設(shè)計和仿真了。4.2 射頻功率放大器仿真設(shè)計軟件的介紹自二十世紀末期開始，射頻微波技術(shù)已經(jīng)慢慢轉(zhuǎn)移到了平面電路方向，美國安捷倫(Agilent)公司推出的大型EDAADSS為其便捷的操作和操作多樣性， 使得越來越多的人認識并了解，為眾多射頻電路愛好者提供了一個專業(yè)的設(shè)計電 路工具，ADS®C件包含了多種EDAa件的好處，計算精確，設(shè)計功能全面且易于 操作，在最重要的仿真方面，可以進行時域仿真，頻域仿真，模擬電路，數(shù)字電 路仿真等多種多樣的電路

50、仿真，總之，ADSa件是一個業(yè)界非常優(yōu)秀的軟件，得 到了眾多人們的支持。AD欹件能實現(xiàn)系統(tǒng)、電路、全三維電磁場仿真，并且可以與其他仿真軟件 以及安捷倫測試儀器進行連接仿真驗證， 可以使設(shè)計者在繁雜的系統(tǒng)、電路中快 速的完成電子設(shè)計并通過測試。ADSg射頻放大電路初學者和愛好者最初都會用的設(shè)計工具，它功能的強大亦無須多談，下面簡要的介紹幾個 ADS仿真軟件的功能：(1)線性仿真器：頻域電路仿真器，用于進行S參數(shù)，直流和交流小信號 仿真。(2)射頻系統(tǒng)仿真器：使用精確的模塊級模塊對整個射頻系統(tǒng)進行建模(3) 13類優(yōu)化器：可對設(shè)計進行優(yōu)化，實現(xiàn)最佳的產(chǎn)品性能(4)連接管理器：用于安捷倫測試儀器進行

51、雙向數(shù)據(jù)傳輸4.3射頻功率放大器的仿真現(xiàn)代移動通信的發(fā)展對移動終端的要求變得越來越高，本文中設(shè)計了一個工 作在900MHz的AB類功率放大器。我選擇了飛思卡爾公司的LDMOS (LaterallyDiffused Metal Oxide Semiconductor) 功率管 MW6s010N通過對管子所進行直 流工作點的仿真、設(shè)計偏置電路以及匹配電路、對匹配電路進行優(yōu)化、諧波平衡 仿真，通過這些設(shè)計步驟，最終可以得到我們所設(shè)計的AB類功率放大器的工作點偏置、S參數(shù)、輸入電壓、輸出電壓、功率附加效率，增益等放大器的性能指 標，從而完成設(shè)計放大器。4.3.1 靜態(tài)工作點的選擇選擇功率放大器的工作狀

52、態(tài)確定靜態(tài)它的工作點，在ADS元件面板中入MW6S010N型庫，然后根據(jù) ADS©真軟件操作步驟建立如圖4-1所示的直流仿 真電路圖，并進行仿真。FET Curve Tracer+ £V_DC二 SRC1IVdcsOSI Pmbo ID&CateVdc=VGSranDION LeMd2 他鋌 MODELPARAMETER SWEEPPa-anSweepSifl£eplSweepVVGS"SinlnEt3iccNane1TX：rSimlnstaiceNane=SimlnstaiceNane= SimlnstaiceNane= SimlnstaicH

53、anel- Siml nstaiceNane(= SbEStqS仿真結(jié)果為:5FSI FETFSIL1Soun;e TSWC-1RTH1CTblSiat=QStop=3OStep=d.6Set drain arid gafe wftage sweep Imiits as needed.rvsn VAR國 VAR1VQSRVVGS=0Vdi 軍temp!TET CLirw tracef圖4-1直流掃描電路VGX 0£匚VGX &0Cvgs-j occVGX9Q 口acValues at bias point indicated by marker mH. Mwe marker

54、to update.mlVDS=3 DOOIDS,i=1.476E-4vGS=2.aaoooaDevice Powervds Consumption. Wattsa ddo4 42GE-4圖4-2 MW6S010N晶體管的I-V曲線圖表根據(jù)MW6S01眥數(shù)據(jù)表，漏極直流電壓為3V,作為A談的功率放大器，因此選擇Vgs = 2V,靜態(tài)工彳電流為I ds = 1.476Ao和數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)相比，電流 取的相對比較大，這是為了可以獲得更好的線性度。4.3.2偏置及穩(wěn)定性分析用軟件找出 MW6S010N勺偏置電路,g型，從ADS軟件元件面板中調(diào)出MW6S010N及飛思卡爾識別控件，添加了元件之后的原理

55、圖如圖4-3所示，V_DCSRC1Vet-工3 VVJXJSRO2UCJecd Wc_15VDC_f«i2TamTcwn1Num-1 片50 QinIIK： IModCDC modelDC_BlocfcDC Block2FS(JtK01WLLMCJtaJMOOCLFETFSL1TSNK-1GIHIhUM5b trad盤油RKt StFadl串 S-F*ARAftlERS麗Stat-011 GkIS- IHJH IH3 IJDtrSLMffllCflTCCHJNCLUDE 網(wǎng)承曲6801則日yjncujde日曲tKd-W就 取蚓 SlrpN 1«lzlevin?Mim-2Z=50 0tm固 DspLyTonpMc<fcptanp1"S_Pmni 巨QuM_電Srnif/圖4-4穩(wěn)定性掃描原理圖然后仿真，如圖4-5所示:.211 1L1UE上qBCD圖4-5穩(wěn)定因子隨頻率變化曲線可看到在900MHz寸，StabFact>1 ,即穩(wěn)定因子K>1,功率管在整個帶內(nèi)穩(wěn)定。 從仿真結(jié)果可看出，低頻時由于寄生效應的影響，K<1,可能會發(fā)生振蕩。所以在設(shè)計過程中，要用一些措施對放大器進行處理，使它可以穩(wěn)定的工作。如果穩(wěn) 定因子小于1,則晶體管有可能會發(fā)生震蕩，所以要采取一定的穩(wěn)定措施來使品 體管處于穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定措施有