射頻功放答辯答辯

1、射頻功率放大器設計 答辯人： 張斌 專業(yè)： 電子信息工程 指導教師：張媛媛 第一部分：課題 的研究背景以及 新發(fā)展現(xiàn)狀 第二部分：基礎 理論知識 第三部分：射頻 功率放大器的仿 真及優(yōu)化 答辯流程 第一部分 射頻功放的研究目的以及發(fā)展現(xiàn)狀 射頻功放概述 顧名思義，射頻功率放大器的主要功能是放大射頻信號，它主要應用 于各種無線電發(fā)射機中。電磁波在空氣中傳播的過程中能量會逐漸的衰 減，并且會遇到各種阻礙，所以功率放大器就是將已調(diào)制的載波信號進 行足夠的功率放大，使得在距離天線一定的范圍之內(nèi)的接收機可以接收 到信號，通過解調(diào)來獲取準確的信息。射頻功率放大器的輸出功率范圍， 可以小到便攜式發(fā)射機的毫瓦

2、級，大到無線電廣播電臺的幾十千瓦，甚 至兆瓦級。 射頻功放的研究意義 射頻功放主要應用于無線通信當中，最顯著的表現(xiàn)就是無處不在的 手機，它使人與人之間的聯(lián)系更為密切也更加方便，使我們的社會變得 更加的緊密，大大提升了世界的一體化進程，可以說手機已經(jīng)成為我們 生活中不可或缺的一部分了。因此射頻功放的研究勢在必行。 發(fā)展現(xiàn)狀 功率放大器發(fā)展至今，己經(jīng)廣泛的應用于軍用、民用通信領域?，F(xiàn) 代通信的發(fā)展對帶寬、線性和效率等指標提出了更高的要求。相應的功 放研究也成了未來的趨勢和熱點。隨著材料、計算機以及功放相關理論 的進一步發(fā)展，可以預見指標更優(yōu)的功率放大器不久將會出現(xiàn)，并服務 于無線通信領域 軍用領域

3、：軍用電臺的語音和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、雷達、導航、定位、遙控 遙測等單一或多功能作戰(zhàn)平臺 民用領域：廣播發(fā)射機、電視發(fā)射機、全球移動通信系統(tǒng)(GSM)、第三代 移動通信系統(tǒng)(3G)、藍牙(Bluetooth)、無線局域網(wǎng)(WLAN) 第二部分 射頻功放的基礎理論知識 射頻功放分類 根據(jù)功放場效應管的工作狀態(tài)與輸入信號周期相對比，可 將功放分為以下幾類： A類：在輸入信號的整個周期內(nèi)功放管都是完全導通的（理想） B類：功放管在處于導通的狀態(tài)只有輸入信號的半個周期 C類：功放管在處于導通的狀態(tài)小于輸入信號的半個周期時 A類 B類 C類 性能指標 功率增益：功率增益(G)表征的是功率放大器對信號的放大能力

4、 增益平坦度:增益平坦度(G)是指在相同的輸入功率情況下功率放大的 輸出功率幅度隨頻率的變化而出現(xiàn)波動的范圍 效率:為保證頻帶信號無失真地通過放大電路，要求其增益頻率響應特性 必須有與信號帶寬相適應的平坦寬度 噪聲系數(shù):噪聲系數(shù)(NF)的定義是輸入輸出的信噪比之比取對數(shù) 輸入輸出駐波比:輸入輸出駐波比(VSWR)表征的是在系統(tǒng)要求的阻抗下， 功率放大器輸入輸出端口的阻抗匹配程度。 三階互調(diào)抑制:三階互調(diào)抑制(IM3)是指在有兩個頻率間隔較近的載波互 相調(diào)制而產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物中三階分量相對于載波功率的比值 偏置電路 功率放大器設計的第一步就是確定晶體管的靜態(tài)直流工作點，偏置 的作用是在特定的工作條

5、件下為有源器件提供適當?shù)撵o態(tài)工作點，并抑 制晶體管的離散性以及溫度變化的影響從而保持恒定的工作特性。 偏置網(wǎng)絡不僅要設定直流工作狀態(tài)，還要通過高頻扼流線圈和隔直 電容確保直流偏置與射頻信號相互隔離。 222 1122 1221 2 111221 2 221221 1 1 2 1 1 SS SS KSSS SSS 為穩(wěn)定性判別系數(shù)，只有當式中 的3個條件都滿足時，才能保證放大 器是絕對穩(wěn)定的 匹配技術 匹配網(wǎng)絡的用途在于當源阻抗和負載阻抗不匹配時，為了能使信號 功率最大程度到達負載，通常做法是在源和負載之間插入一個無源網(wǎng)絡， 通過該網(wǎng)絡使源阻抗和負載阻抗匹配。在實際設計射頻功率放大器時， 匹配網(wǎng)

6、絡的設計至關重要，他直接決定了功率放大器的好壞。 負載牽引 對于功率放大器，總存在最大輸出功率和與之對應的最佳輸出阻抗。 負載牽引就是利用AWR軟件中自帶的wizard腳本功能，得到輸入輸出匹配 電路的端口阻抗值。 功率分配 功率分配器是無源微波器件，用于功率分配或功率合成。在功率分 配中，一個輸入信號被耦合器分成兩個（或多個）較小的功率信號。功 率分配器最簡單的形式是三端口網(wǎng)絡，其必然滿足三端口網(wǎng)絡的一般規(guī) 律?；ヒ谉o耗三端口網(wǎng)絡，各個端口不能同時匹配，也就是說，互易無 耗的三端口網(wǎng)絡實現(xiàn)功分，總是會引入額外的反射；要想沒有反射，必 須采用有耗的，或者非互易的三端口網(wǎng)絡。 第三部分 射頻功放

7、的設計仿真以及優(yōu)化 要求 場效應管：NXP_BLF6G21_10G 微帶基片：FR-4基板厚度1mm，介電常數(shù)4.4； 參考指標：中心頻率0.851GHz，帶寬15%； 輸出功率大于30dBm； 增益20dB； 三階互調(diào)小于-33dBc。 CAP ID=C3 C=3 pF CAP ID=C4 C=1e7 pF CAP ID=C5 C=3 pF CAP ID=C6 C=1e7 pF DCVS ID=V1 V=28 V DCVS ID=V2 V=28 V IND ID=L1 L=1000 nHIND ID=L2 L=1000 nH IND ID=L3 L=1000 nH IND ID=L4 L=1

8、000 nH MLIN ID=TL1 W=1.85 mm L=5 mm MLIN ID=TL3 W=1 mm L=3 mm MLIN ID=TL4 W=1 mm L=2.384 mm MLIN ID=TL17 W=1.222 mm L=8.1 mm MLIN ID=TL18 W=1.3 mm L=8.255 mm MLIN ID=TL19 W=2.147 mm L=7 mm MLIN ID=TL20 W=1.222 mm L=8.1 mm MLIN ID=TL21 W=1.3 mm L=8.255 mm MLIN ID=TL22 W=2.2 mm L=7 mm MLIN ID=TL23 W=1

9、.85 mm L=5 mm MLIN ID=TL24 W=1 mm L=3 mm MLIN ID=TL25 W=1 mm L=2.384 mm MSUB Er=4.4 H=1 mm T=0.01788 mm Rho=1 Tand=0.0035 ErNom=3.48 Name=SUB1 12 3 MTEE$ ID=TL2 12 3 MTEE$ ID=TL5 1 2 3 MTEE$ ID=TL7 12 3 MTEE$ ID=TL26 12 3 MTEE$ ID=TL27 1 2 3 MTEE$ ID=TL28 MTRACE2 ID=X1 W=1 mm L=50.24 mm BType=2 M=1

10、MTRACE2 ID=X2 W=WMTRACE2.X1 mm L=LMTRACE2.X1 mm BType=2 M=1 MTRACE2 ID=X3 W=1.86 mm L=23.34 mm BType=2 M=1 MTRACE2 ID=X4 W=WMTRACE2.X3 mm L=LMTRACE2.X3 mm BType=2 M=1 MTRACE2 ID=X19 W=1 mm L=50.24 mm BType=2 M=1 MTRACE2 ID=X20 W=WMTRACE2.X1 mm L=LMTRACE2.X1 mm BType=2 M=1 MTRACE2 ID=X21 W=1.86 mm L=

11、23.34 mm BType=2 M=1 MTRACE2 ID=X22 W=WMTRACE2.X3 mm L=LMTRACE2.X3 mm BType=2 M=1 RES ID=R1 R=82 Ohm RES ID=R4 R=2200 Ohm RES ID=R5 R=25800 Ohm RES ID=R6 R=110 Ohm RES ID=R7 R=2200 Ohm RES ID=R8 R=25800 Ohm RES ID=R9 R=110 Ohm RES ID=R10 R=82 Ohm CAP ID=C1 C=1e5 pF CAP ID=C2 C=2.67824000228155 pF IN

12、D ID=L5 L=0.995033544529995 nH MLIN ID=TL6 W=2.313 mm L=7 mm MLIN ID=TL8 W=2.203 mm L=6.7 mm MLIN ID=TL9 W=1.494 mm L=5.022 mm 12 3 MTEE ID=TL10 W1=9.556 mm W2=0.8016 mm W3=1.651 mm CAP ID=C7 C=1e5 pF CAP ID=C8 C=2.67824000228155 pF IND ID=L6 L=0.995033544529995 nH MLIN ID=TL11 W=2.313 mm L=7 mm MLI

13、N ID=TL12 W=2.203 mm L=6.7 mm MLIN ID=TL13 W=1.494 mm L=5.022 mm 12 3 MTEE ID=TL14 W1=9.556 mm W2=0.8016 mm W3=1.651 mm CAP ID=C9 C=1e5 pF MLEF ID=TL15 W=d mm L=0 mm MLEF ID=TL16 W=d mm L=0 mm MLEF ID=TL29 W=d mm L=0 mm MLIN ID=TL30 W=d mm L=5 mm MLIN ID=TL31 W=d mm L=5 mm 12 3 MTEE$ ID=TL32 12 3 MT

14、EE$ ID=TL33 12 3 MTEE$ ID=TL34 MTRACE2 ID=X5 W=d mm L=3.798 mm BType=2 M=0 MTRACE2 ID=X6 W=d mm L=2.314 mm BType=2 M=0 MTRACE2 ID=X7 W=d mm L=8.349 mm BType=2 M=0 MTRACE2 ID=X8 W=d mm L=4.217 mm BType=2 M=0 MTRACE2 ID=X9 W=d mm L=10.56 mm BType=2 M=0.6 MTRACE2 ID=X10 W=d mm L=24.99 mm BType=2 M=0 MT

15、RACE2 ID=X11 W=d mm L=2.07 mm BType=2 M=0 CAP ID=C10 C=1e5 pF MLEF ID=TL35 W=d mm L=0 mm MLEF ID=TL36 W=d mm L=0 mm MLEF ID=TL37 W=d mm L=0 mm MLIN ID=TL38 W=d mm L=5 mm MLIN ID=TL39 W=d mm L=5 mm 12 3 MTEE$ ID=TL40 12 3 MTEE$ ID=TL41 12 3 MTEE$ ID=TL42 MTRACE2 ID=X12 W=d mm L=3.798 mm BType=2 M=0 M

16、TRACE2 ID=X13 W=d mm L=2.314 mm BType=2 M=0 MTRACE2 ID=X14 W=d mm L=8.349 mm BType=2 M=0 MTRACE2 ID=X15 W=d mm L=4.217 mm BType=2 M=0 MTRACE2 ID=X16 W=d mm L=10.56 mm BType=2 M=0.6 MTRACE2 ID=X17 W=d mm L=24.99 mm BType=2 M=0 MTRACE2 ID=X18 W=d mm L=2.07 mm BType=2 M=0 STACKUP Name=SUB2 EXTRACT ID=E

17、X1 EM_Doc=EM_Extract_Doc Name=EM_Extract Simulator=AXIEM X_Cell_Size=1 mm Y_Cell_Size=1 mm STACKUP= Override_Options=Yes Hierarchy=Off SweepVar_Names= G D S T_ext 1 2 3 4 SUBCKT ID=S1 NET=NXP_BLF6G21_10G DTA=0 Zth_Enable=1 G D S T_ext 1 2 3 4 SUBCKT ID=S3 NET=NXP_BLF6G21_10G DTA=0 Zth_Enable=1 PORT1

18、 P=1 Z=50 Ohm Pwr=5 dBm PORT P=2 Z=50 Ohm d=2.141 射頻功率放大器原理圖 直流掃描 S w pS t e p IVC U R VE ID = IV1 VS W E E P _ sta rt= 0 V VS W E E P _ sto p = 6 0 V VS W E E P _ ste p = 1 V VS T E P _ sta rt= -1 V VS T E P _ sto p = 2 .5 V VS T E P _ ste p = 0 .1 V G D S T _ e x t 1 2 3 4 S U B C K T ID = S 1 N E

19、 T = N XP _ B L F 6 G 2 1 _ 1 0 G D T A= 0 Z th _ E n a b le = 1 對本次功放設計中的場效應管 （NXP_BLF6G21_10G）進行直流掃描，以 確定靜態(tài)工作點 0204060 Voltage (V) Iv curve -100 0 100 200 300 400 500 p36 p35 p34 p33 p32 p31 p30 p29 p28p27p26p25p24p23p22p21p20p19p18p17p16p15p14p13p12p11p10p9p8p7p6p5p4p3p2p1 17.61 V 100.9 mA IVCurv

20、e() (mA) Iv curve.AP_DC p1: Vstep = -1 Vp2: Vstep = -0.9 V p3: Vstep = -0.8 Vp4: Vstep = -0.7 V p5: Vstep = -0.6 Vp6: Vstep = -0.5 V p7: Vstep = -0.4 Vp8: Vstep = -0.3 V p9: Vstep = -0.2 Vp10: Vstep = -0.1 V p11: Vstep = 0 Vp12: Vstep = 0.1 V p13: Vstep = 0.2 Vp14: Vstep = 0.3 V p15: Vstep = 0.4 Vp1

21、6: Vstep = 0.5 V p17: Vstep = 0.6 Vp18: Vstep = 0.7 V p19: Vstep = 0.8 Vp20: Vstep = 0.9 V p21: Vstep = 1 Vp22: Vstep = 1.1 V p23: Vstep = 1.2 Vp24: Vstep = 1.3 V p25: Vstep = 1.4 Vp26: Vstep = 1.5 V p27: Vstep = 1.6 Vp28: Vstep = 1.7 V p29: Vstep = 1.8 Vp30: Vstep = 1.9 V p31: Vstep = 2 Vp32: Vstep

22、 = 2.1 V p33: Vstep = 2.2 Vp34: Vstep = 2.3 V p35: Vstep = 2.4 Vp36: Vstep = 2.5 V 偏置電路 對放大器采用合適的偏置是為了對其提供合適的靜 態(tài)工作點，使功放管保持一個比較穩(wěn)定的工作 狀態(tài)，并且要使靜態(tài)工作點要相對穩(wěn)定，不 受環(huán)境溫度或功放管的工作狀態(tài)變化而變化， 也不能影響功放管的噪聲或增益。 CA P ID= C1 C= 1e5 pF CA P ID= C3 C= 1e7 pF CA P ID= C4 C= 4.28 pF DCVS ID= V 2 V= 28 V M LIN ID= T L1 W = 1.4

23、m m L= 5 m m M LIN ID= T L2 W = 1.4 m m L= 5 m m M LIN ID= T L3 W = 1.222 m m L= 8.1 m m M LIN ID= T L4 W = 1.3 m m L= 8.1 m m M SUB Er= 4.4 H= 1 m m T = 0.000254 m m Rho= 1 T and= 0.002 ErNom = 4.4 Nam e= SUB 1 RE S ID= R1 R= 1 O hm RE S ID= R4 R= 2.58e4 O hm G D S T _ e x t 1 2 3 4 SUBCKT ID= S 1

24、NE T = NXP_B LF 6G 21_10G DT A= 0 Z th_E nable= 1 SUBCKT ID= S 2 NE T = E RJ3G EYJ101 SUBCKT ID= S 3 NE T = E RJ3G EYJ222 SUBCKT ID= S 4 NE T = CIG 21W 1R0M N SUBCKT ID= S 5 NE T = CIG 21W 1R0M N SUBCKT ID= S 6 NE T = CL21A105K ACLNN PO RT P= 1 Z = 50 O hm PO RT P= 2 Z = 50 O hm 0.40.60.811.21.4 F r

25、equency (G Hz) bias 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 B1() bias.AP K() bias.AP 基本符合K值大于0，B值小于1的要求 負載牽引 DCVS ID=V1 V=17.9 V DCVS ID=V3 V=2.2 V I_METER ID=AMP1 3:Bias 1 2 LTUNER2 ID=TU1 Mag=0.5 Ang=0 Deg Zo=50 Ohm 3:Bias 1 2 LTUNER2 ID=TU2 Mag=0.5 Ang=0 Deg Zo=50 Ohm V_METER ID=VM1 V_METER ID=VM2 G D S T_ext 1 2 3

26、4 SUBCKT ID=S1 NET=NXP_BLF6G21_10G DTA=0 Zth_Enable=1 PORT1 P=1 Z=50 Ohm Pw r=5 dBm PORT P=2 Z=50 Ohm 先做放大器輸出級的負載牽引，對輸出功 率進行負載牽引，再做源牽引。從圓圖中，我 們可以看出：當 時，輸出功率達到最大，因此我們做匹配網(wǎng)絡 時就對照著這個阻抗值進行匹配。 out Z=5.7+j14.6dB（12.29） in Z =1.81+j6.57dB（14.43） 輸入匹配網(wǎng)絡 CAP ID=C1 C=1e5 pF M LEF ID=TL5 W=d mm L=0 mm M LEF ID=

27、TL6 W=d mm L=0 mm M LEF ID=TL8 W=d mm L=0 mm M LIN ID=TL1 W=d mm L=5 mm M LIN ID=TL4 W=d mm L=5 mm M SUB Er=4.4 H=1 mm T=0.01 mm Rho=1 Tand=0.0018 ErNom=4.4 Name=SUB1 12 3 M TEE$ ID=TL2 12 3 M TEE$ ID=TL3 12 3 M TEE$ ID=TL7 M TRACE2 ID=X1 W=d mm L=3.798 mm BType=2 M =0 M TRACE2 ID=X2 W=d mm L=2.314

28、mm BType=2 M =0 M TRACE2 ID=X3 W=d mm L=8.349 mm BType=2 M =0 M TRACE2 ID=X4 W=d mm L=4.217 mm BType=2 M =0 M TRACE2 ID=X5 W=d mm L=10.56 mm BType=2 M =0.6 M TRACE2 ID=X6 W=d mm L=24.99 mm BType=2 M =0 M TRACE2 ID=X7 W=d mm L=2.07 mm BType=2 M =0 RES ID=R1 R=2 O hm PO RT P=1 Z=50 O hm PO RT P=2 Z=1.

29、8175j+6.57 O hm d=2.141 使輸入信號功率最大程度的到達負載 0.40.60.811.21.4 Frequency (GHz) in match -40 -30 -20 -10 0 D B (|S (1,1)|) in m atch.AP D B (|S (2,1)|) in m atch.AP 輸出匹配網(wǎng)絡 CAP ID =C1 C=1e5 pF CAP ID =C2 C=2.678 pF IN D ID =L1 L=0.995 nH M LIN ID =TL1 W=2.313 m m L=7 m m M LIN ID =TL2 W=2.203 m m L=6.7 m m

30、 M LIN ID =TL4 W=1.494 m m L=5.022 m m M SUB E r=4.47 H=1 m m T=0.035 m m Rho=1 Tand=0.001 E rN om =4.47 Nam e=SUB1 12 3 M TE E ID =TL3 W1=9.556 m m W2=0.8016 m m W3=1.651 m m P OR T P =1 Z=5.2j+15.2 Ohm P OR T P =2 Z=50 Ohm 0.40.60.811.21.4 Frequency (GHz) out match -50 -40 -30 -20 -10 0 DB(|S(1,1)

31、|) out match.AP DB(|S(2,1)|) out match.AP 功分器 ML IN ID =T L1 W =1 .8 5 m m L =5 m m ML IN ID =T L3 W =1 m m L =3 m m ML IN ID =T L4 W =1 m m L =2 .3 8 4 m m MS U B E r=4 .4 H =1 m m T =0 .0 1 78 8 m m R h o =1 T a n d=0 .0 0 35 E rN o m =3.48 N a m e =S U B 1 12 3 MT E E $ ID =T L2 12 3 MT E E $ ID

32、=T L5 1 2 3 MT E E $ ID =T L7 MT R A C E 2 ID =X 1 W =1 m m L =5 0 .2 4 m m B T ype =2 M=1 MT R A C E 2 ID =X 2 W =W MT R A C E 2 .X 1 m m L =L MT R A C E 2 .X 1 m m B T ype =2 M=1 MT R A C E 2 ID =X 3 W =1 .8 6 m m L =2 3 .3 4 m m B T ype =2 M=1 MT R A C E 2 ID =X 4 W =W MT R A C E 2 .X 3 m m L =L

33、MT R A C E 2 .X 3 m m B T ype =2 M=1 R E S ID =R 1 R =8 2 Oh m P OR T P =1 Z=5 0 Ohm P OR T P =2 Z=5 0 Ohm P OR T P =3 Z=5 0 Ohm 將輸入信號一分為二，最大程度 減小信號在功放中的損耗，最后 將信號合成、還原 0.40.60.811.21.4 Frequency (GHz) power divider -40 -30 -20 -10 0 0.9968 GHz -3.129 dB 0.8502 GHz -3.095 dB 0.9 GHz -30.93 dB 0.9026

34、GHz -25.98 dB DB(|S(1,1)|) power divider.AP DB(|S(2,1)|) power divider.AP DB(|S(3,1)|) power divider.AP DB(|S(3,2)|) power divider.AP M LIN ID= T L1 W= 1.85 m m L= 5 m m M LIN ID= T L3 W= 1 m m L= 3 m m M LIN ID= T L4 W= 1 m m L= 2.384 m m 12 3 M T EE$ ID= T L2 12 3 M T EE$ ID= T L5 1 2 3 M T EE$ ID

35、= T L7 M T RACE2 ID= X1 W= 1 m m L= 50.24 m m BT ype= 2 M = 1 M T RACE2 ID= X2 W= W M T RACE2.X1 m m L= L M T RACE2.X1 m m BT ype= 2 M = 1 M T RACE2 ID= X4 W= W M T RACE2.X3 m m L= L M T RACE2.X3 m m BT ype= 2 M = 1 RES ID= R1 R= 82 O hm IND ID= L1 L= 1000 nH M LIN ID= T L17 W= 1.222 m m L= 8.1 m m

36、RES ID= R4 R= 2200 O hm RES ID= R5 R= 25800 O hm RES ID= R6 R= 110 O hm M LIN ID= T L18 W= 1.3 m m L= 8.255 m m IND ID= L2 L= 1000 nH M LIN ID= T L19 W= 2.147 m m L= 7 m m CAP ID= C3 C= 3 pF CAP ID= C4 C= 1e7 pFDCVS ID= V1 V= 28 V M LIN ID= T L23 W= 1.85 m m L= 5 m m M LIN ID= T L24 W= 1 m m L= 3 m m M LIN ID= T L25 W= 1 m m L= 2.384 m m 12 3 M T EE$ ID= T L26 12 3 M T EE$ ID= T L27 1 2 3 M T EE$ ID= T L28 M T RACE2 ID= X19 W= 1 m m L= 50.24 m m BT ype= 2 M = 1 M T RACE2 ID= X20 W= W M T RACE2.X1 m m L= L M T RACE2.X1 m m BT ype= 2 M = 1 M