基于ADS高效率微波功率放大器設(shè)計(jì)

摘要：基于ADS軟件，選取合適的靜態(tài)直流工作點(diǎn)，采用負(fù)載牽引法得到LDMOS晶體管BLF7G22L130的輸出和輸入阻抗特性，并通過設(shè)計(jì)和優(yōu)化得到最佳的共軛匹配網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)出高效率功率放大器。ADS設(shè)計(jì)仿真表明該功率放大器在中心頻率2 160 MHz處的效率達(dá)到70％，穩(wěn)定性好、增益平坦度小等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：ADS；負(fù)載牽引法；功率放大器；共軛匹配

    隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，除了廣為人知的無線廣播、衛(wèi)星電視等公共通信服務(wù)外，包括以手機(jī)、無線局域網(wǎng)和藍(lán)牙等為代表的個(gè)人服務(wù)也進(jìn)入到人們的視野中，并逐步成為人類生活中不可替代的通信工具。同時(shí)隨著技術(shù)日新月異的發(fā)展和人們通信需求的增加，無線通信產(chǎn)業(yè)還將繼續(xù)向前蓬勃發(fā)展。在無線通信系統(tǒng)中，功率放大器是無線發(fā)射機(jī)中的核心模塊之一，它不僅僅是將信號(hào)放大以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的可靠傳輸，而且對(duì)信號(hào)的效率、穩(wěn)定度和帶寬等方面都提出了很高的要求。因此對(duì)于微波功率放大器的研究和設(shè)計(jì)有著重要是意義。

1 功率放大器的設(shè)計(jì)
1．1 設(shè)計(jì)指標(biāo)
    本設(shè)計(jì)方案選取的是NXP公司的BLF7G22L130功率管，設(shè)計(jì)的主要性能指標(biāo)為：工作頻段2 150～2 170MHz；輸出功率為30W(44．7dBm)；在中心頻率處的工作效率大于70％，增益平坦度要求小于0．5 dB。
1．2 靜態(tài)工作點(diǎn)與偏置電路的設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)放大器首先需要確定靜態(tài)工作點(diǎn)，利用ADS中的“FET_curve_tracer”的模板可以很方便地仿真出其輸出特性曲線。再參考BLF7G22 L130的datasheet，可以確定當(dāng)Vds=30 V，Ids=950 mA時(shí)，各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足要求。
    確定靜態(tài)工作點(diǎn)后，就要確定偏置電路的形式和參數(shù)。借助ADS中的設(shè)計(jì)向?qū)Чぞ?DesignGuide→Amplifier→Tools→Transistor Bias Utility)可以輕易完成。因?yàn)锳DS所提供的元件數(shù)值是非標(biāo)稱的，所以需要設(shè)計(jì)者用與ADS提供的數(shù)值接近的標(biāo)稱元件進(jìn)行替代。
1．3 負(fù)載牽引法設(shè)計(jì)共軛匹配
    為了得到最佳的線性度和較好的效率，使功率放大管在最佳狀態(tài)下工作，并充分發(fā)揮其潛力，所以采用負(fù)載牽引特征對(duì)BLF7G22L130進(jìn)行等功率曲線和等效率曲線的掃描，以選擇最佳輸出阻抗來進(jìn)行功率放大器設(shè)計(jì)。
    按上述確定好的最佳靜態(tài)直流工作點(diǎn)設(shè)置好電路，然后基于ADS軟件中Load-Pull-PAE對(duì)該偏置好BLF7G22L130電路模型進(jìn)行負(fù)載牽引的最佳輸出阻抗設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)仿真頻率為2 160 MHz，仿真后選取最佳的輸出阻抗如圖1所示。

    該BLF7G22L130模型在靜態(tài)工作點(diǎn)的條件下，能夠得到理想的最大效率PAE為69．39％，輸出功率為47．08 dBm。綜合考慮輸出功率、效率和線性度等條件，這里選取Zload=1．17+i*0．348作為該MRF21030模型在該靜態(tài)工作條件下的最佳輸出阻抗，以其共軛作為輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的阻抗。
    采用同樣的設(shè)計(jì)方法，基于ADS軟件中的Source-PullPAE，對(duì)該偏置好的電路模型進(jìn)行負(fù)載牽引的最佳輸入出阻抗設(shè)計(jì)，這時(shí)需要把按最佳輸出阻抗匹配好的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)加入到電路中進(jìn)行仿真。選取得到最佳的輸人阻抗點(diǎn)Zsource=2．648-i*0．796，并以它的共軛作為輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的參考。
    在得到最佳源阻抗和負(fù)載阻抗后，需要通過阻抗變換將之匹配到50 Ω，本方案采用階梯阻抗變換器實(shí)現(xiàn)匹配，利用階梯阻抗變換器中不同阻抗微帶線反射波相互抵消的原理，將源和負(fù)載阻抗匹配到50 Ω。負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

1．4 整個(gè)放大器模塊
    整個(gè)電路中加入輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)后，相互之間都存在著影響，需要對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行優(yōu)化，來補(bǔ)償輸入匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)對(duì)輸出網(wǎng)絡(luò)的影響，以達(dá)到最大的功率輸出。即可將所有電路綜合起來進(jìn)行整體的放大器仿真。其仿真電路圖如3所示。

2 電路仿真與結(jié)果分析
    對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的整個(gè)電路進(jìn)行建模仿真，得到的仿真結(jié)果如圖4所示。

    由圖4可以得到，在輸入功率在30 dBm時(shí)，輸出功率可達(dá)到50．46 dBm，可以滿足1 dB輸出功率30 W的要求，在該輸入功率處的效率達(dá)到70％；由圖5可以得到增益平坦度小于0．5 dB，在頻率2150～2170 MHz內(nèi)效率在70％以上，輸出功率在50 dBm以上，可見該功率放大器具有很高的效率，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。

3 結(jié)論
    本設(shè)計(jì)中對(duì)功率放大器設(shè)計(jì)過程和結(jié)果進(jìn)行了分析，在ADS環(huán)境中進(jìn)行了電路的調(diào)試和仿真，應(yīng)用了源、負(fù)載牽引的本地移動(dòng)性錨點(diǎn)，使得用戶在漫游情況下可以依照網(wǎng)絡(luò)情況移動(dòng)到另一個(gè)AEG。
    支持以上4點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以較大促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)融合的發(fā)展，有效降低運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本與維護(hù)費(fèi)用，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的靈活性與業(yè)務(wù)多樣性。