基于ADS的功率放大器設(shè)計(jì)實(shí)例與仿真分析

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(jì)。通過(guò)ADS軟件對(duì)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(jì)步驟。最后結(jié)合設(shè)計(jì)方法給出一個(gè)中心頻率為2.6GHz、輸出功率為6.5W 的功率放大器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化實(shí)例和仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明，這種方法是可行的，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求，并且對(duì)功放的設(shè)計(jì)有著重要的參考價(jià)值。

0 引 言

隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備的設(shè)計(jì)要求也越來(lái)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(gè)通信系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，因此，無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)性能良好的放大器。通過(guò)采用EDA工具軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)可以掌握設(shè)計(jì)電路的性能，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，以達(dá)到加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)程的目的。本文仿真設(shè)計(jì)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 700MHz之間，直流28V供電。具有很好的線(xiàn)性度，它采用特殊工藝，具有良好的熱穩(wěn)定度。同時(shí)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(jì)，使其輸出功率在頻率為2.6 GHz時(shí)達(dá)到6.5W.

1 功率放大器的相關(guān)設(shè)計(jì)理論

對(duì)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(shí)它應(yīng)該具有最大的輸出功率和最佳的輸出效率，因?yàn)檩敵龉β蕸Q定了通信距離的長(zhǎng)短，其效率決定了電池的消耗程度及使用時(shí)間。在功放的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(hào)頻率、穩(wěn)定、源和負(fù)載等變化時(shí))，維持正常工作特性的能力，一個(gè)微波管的絕對(duì)穩(wěn)定條件是：

式中：D =S11S22-S12S21.

在選定的晶體管的工作條件下若滿(mǎn)足K》1，則此時(shí)放大器處在絕對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，若不滿(mǎn)足此條件，則需進(jìn)行穩(wěn)定性匹配電路的設(shè)計(jì)。

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(jì)時(shí)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(diǎn)(P1dB)

當(dāng)晶體管的輸入功率達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，其增益開(kāi)始下降，或者稱(chēng)為壓縮。1dB壓縮點(diǎn)為放大器線(xiàn)性增益和實(shí)際的非線(xiàn)性增益之差為1dB的點(diǎn)，換句話(huà)說(shuō)，它是放大器增益有1dB壓縮的輸出功率點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)步驟

2.1 靜態(tài)工作點(diǎn)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(guò)仿真和測(cè)試得到柵極(G)電壓。在ADS中導(dǎo)入BLF6G27-10G 的模型庫(kù)，建立直流仿真電路，圖1就是通過(guò)對(duì)晶體管BLF6G27-10G進(jìn)行直流仿真所獲得的伏安特性曲線(xiàn)。

圖1 直流特性曲線(xiàn)

與BLF6G27-10G的Datasheet給出數(shù)據(jù)相比，本例所仿真出來(lái)的靜態(tài)工作點(diǎn)和Datasheet給出數(shù)據(jù)較接近，并且得到了柵極電壓(VGS=1.8V)，因此這樣晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)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(diǎn)對(duì)于射頻功放是非常重要的，因?yàn)樗赡茉谀承┕ぷ黝l率和終端條件下有產(chǎn)生振蕩的傾向。

因此要對(duì)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(hào)通過(guò)，而DC_Block則是阻止直流信號(hào)通過(guò)。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。

圖2 穩(wěn)定性?huà)呙柙韴D

圖3 穩(wěn)定性仿真結(jié)果

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