基于ADS的功率放大器設(shè)計與仿真

摘要：為了使射頻功率放大器輸出一定的功率給負(fù)載，采用一種負(fù)載牽引和源牽引相結(jié)合的方法進(jìn)行功率放大器的設(shè)計。通過ADS軟件對其穩(wěn)定性、輸入／輸出匹配、輸出功率進(jìn)行仿真，并給出清晰的設(shè)計步驟。最后結(jié)合設(shè)計方法給出一個中心頻率為2．6 GHz、輸出功率為6．5 W的功率放大器的設(shè)計及優(yōu)化實例和仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，這種方法是可行的，滿足設(shè)計的要求，并且對功放的設(shè)計有著重要的參考價值。
關(guān)鍵詞：射頻功率放大器；輸出功率；穩(wěn)定性；設(shè)計

0 引言
    隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線通信設(shè)備的設(shè)計要求也越來越高，功率放大器作為發(fā)射機(jī)最重要的部分之一，它的性能好壞直接影響著整個通信系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，因此，無線系統(tǒng)需要設(shè)計性能良好的放大器。通過采用EDA工具軟件進(jìn)行電路設(shè)計可以掌握設(shè)計電路的性能，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，以達(dá)到加速產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程的目的。本文仿真設(shè)計采用恩智浦半導(dǎo)體的LDMOS晶體管BLF6G27-10G，該晶體管工作頻段在2 500～2 700 MHz之間，直流28 V供電。具有很好的線性度，它采用特殊工藝，具有良好的熱穩(wěn)定度。同時使用EDA軟件，利用負(fù)載牽引和源牽引相結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計，使其輸出功率在頻率為2．6GHz時達(dá)到6．5W。

1 功率放大器的相關(guān)設(shè)計理論
    對于任何功率放大器，它必須在工作頻段內(nèi)是穩(wěn)定的，同時它應(yīng)該具有最大的輸出功率和最佳的輸出效率，因為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。在功放的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，需要選擇合適的源阻抗和負(fù)載阻抗，而他們的選擇和功率放大器的穩(wěn)定性、輸出功率、效率以及增益息息相關(guān)。
1．1 穩(wěn)定準(zhǔn)則
    穩(wěn)定性是指放大器抑制環(huán)境的變化(如信號頻率、穩(wěn)定、源和負(fù)載等變化時)，維持正常工作特性的能力，一個微波管的絕對穩(wěn)定條件是：
   
    在選定的晶體管的工作條件下若滿足K>1，則此時放大器處在絕對穩(wěn)定狀態(tài)，若不滿足此條件，則需進(jìn)行穩(wěn)定性匹配電路的設(shè)計。
1．2 功率增益
    放大器的功率增益(Power Gain)有幾種不同的定義方式，在這里只介紹工作功率增益，這是設(shè)計時較為關(guān)心的量，它定義為負(fù)載吸收的功率與放大器的輸入功率之比。
   
1．3 功率附加效率(PAE)
    功率附加效率是指射頻輸出功率和輸入功率的差值與供給放大器的直流功率的比值，它既反映了直流功率轉(zhuǎn)化為射頻功率的能力，又反映了放大射頻功率的能力。
   
1．4 1dB功率壓縮點(P1 dB)
    當(dāng)晶體管的輸入功率達(dá)到飽和狀態(tài)時，其增益開始下降，或者稱為壓縮。1 dB壓縮點為放大器線性增益和實際的非線性增益之差為1 dB的點，換句話說，它是放大器增益有1 dB壓縮的輸出功率點。

2 設(shè)計步驟
2．1 靜態(tài)工作點的確定
    在晶體管的Datasheet中，給出了漏極(D)的工作電壓和電流，因此，需要通過仿真和測試得到柵極(G)電壓。在ADS中導(dǎo)入BLF6G27-10G的模型庫，建立直流仿真電路，圖1就是通過對晶體管BLF6G27-10G進(jìn)行直流仿真所獲得的伏安特性曲線。

    與BLF6G27-10G的Datasheet給出數(shù)據(jù)相比，本例所仿真出來的靜態(tài)工作點和Datasheet給出數(shù)據(jù)較接近，并且得到了柵極電壓(VGS=1．8 V)，因此這樣晶體管的靜態(tài)工作點就確定了。
2．2 穩(wěn)定性分析和偏置電路
    要使晶體管可靠的工作，必須使晶體管在工作的頻段內(nèi)穩(wěn)定。這一點對于射頻功放是非常重要的，因為它可能在某些工作頻率和終端條件下有產(chǎn)生振蕩的傾向。因此要對功率管BLF6G27-10G在ADS的環(huán)境中進(jìn)行穩(wěn)定性分析，在ADS元件面板中調(diào)出扼流電感DC_Feed和隔直電容DC_Block，其中DC_Feed阻止高頻信號通過，而DC_Block則是阻止直流信號通過。建立穩(wěn)定性分析的原理圖如圖2所示，仿真結(jié)果如圖3所示。

    由仿真結(jié)果圖可得在低頻段功率管處于不穩(wěn)定狀態(tài)，即滿足K<1，因此必須添加穩(wěn)定性措施，穩(wěn)定措施有很多種，在本設(shè)計中，選用并聯(lián)的電阻和電容串接在輸入端口，此方法容易實現(xiàn)，而且穩(wěn)定效果很好。同時參考BLF6G27-10G的Datasheet，進(jìn)行偏置電路設(shè)計，最后所得電路圖如圖4所示，仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可得，在加入穩(wěn)定措施和偏置電路后。功率管在很大的頻率范圍內(nèi)都處于絕對穩(wěn)定(K>1)，這樣就可以進(jìn)行下一步設(shè)計了。

2．3 輸入／輸出匹配設(shè)計
    確定靜態(tài)工作點和穩(wěn)定電路后，需要對晶體管的輸入和輸出進(jìn)行匹配設(shè)計，在本例功率放大器的設(shè)計中，出發(fā)點是輸出大功率，一般是讓晶體管工作在其額定輸出狀態(tài)，為了使器件工作在最佳狀態(tài)，采用負(fù)載牽引和源牽引相結(jié)合的方法來設(shè)計輸入／輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。通過在ADS中進(jìn)行負(fù)載牽引和源牽引仿真找出在輸出最大功率時的最佳阻抗。
    首先，進(jìn)行負(fù)載牽引仿真找出最佳負(fù)載阻抗來設(shè)計輸出匹配電路，負(fù)載牽引仿真原理圖如圖6所示，仿真結(jié)果如圖7所示。

    由圖7可以得到在輸出功率最大時，負(fù)載的最佳阻抗為3．004-j1．849，根據(jù)該阻抗值，采用分布參數(shù)與集總參數(shù)混合匹配的方法來設(shè)計輸出匹配電路。

    然后，將設(shè)計完成的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)加入到功率放大電路中進(jìn)行源牽引仿真，源牽引仿真的原理圖與負(fù)載牽引圖相似，源牽引仿真結(jié)果如圖8所示。
    從源牽引仿真結(jié)果得到，在最大功率輸出時源阻抗為11．503-j13．802；根據(jù)該阻抗值，采用與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)相同的方法，利用Smith圓圖進(jìn)行源端的匹配設(shè)計，最后根據(jù)要求指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，使得放大器的增益和輸出功率更加符合設(shè)計要求，經(jīng)過優(yōu)化后的功率放大電路如圖9所示，仿真結(jié)果如圖10所示。

    通過最后仿真圖可以得到在2．6 GHz時，輸入功率為19 dBm時，輸出功率為38．318 dBm，即能夠達(dá)到6．5 W的輸出功率。小于功放的1 dB壓縮點，功率增益為19dB左右，效率達(dá)到45％左右，滿足設(shè)計指標(biāo)的要求。

3 結(jié)論
    本文提出了利用負(fù)載牽引和源牽引相結(jié)合的方法設(shè)計功率放大器，可以快速設(shè)計既滿足輸出功率又滿足附加效率要求的方法，因此可以簡化設(shè)計流程，極大地方便和加快產(chǎn)品的開發(fā)，而且對于射頻工程師來講，利用EDA軟件輔助設(shè)計是極為重要的，可以大大減少工程師的工作量，并能提高工作效率，降低成本。