射頻功率放大器的設(shè)計(jì)

1、匾前恥了太上學(xué)項(xiàng)修晉卷NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY MING DE COLLEGE本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 用于通信系統(tǒng)終端的PA的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)專業(yè)名稱通信工程學(xué)生姓名張永祥指導(dǎo)教師W yt)和x:(t)y2(t),那么對(duì)應(yīng)任意常熟a, b有：ax/t) + bx2(t) - ay/t) + by:(t)(2-3)因此，如果系統(tǒng)不滿足式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?yàn)橛性?器件的特性是非線性的，所以這也就導(dǎo)致了總會(huì)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(hào)相對(duì)比較小時(shí)，放大器才可以近似

2、看作是 一個(gè)線性系統(tǒng)；每當(dāng)輸入信號(hào)幅度不斷增大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)逐漸顯現(xiàn)出非線性。非線 性會(huì)對(duì)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(yīng)。傳輸線理論在電路理論中存在一個(gè)假定：當(dāng)我們不考慮導(dǎo)線的粗細(xì)和長度時(shí)，電壓和電 流在我們所研究的導(dǎo)線上是不一樣的，有著很大的區(qū)別。傳輸線理論即就是導(dǎo)線 長度和波長可比，導(dǎo)線長度方向，電壓和電流也是不相等的，傳輸線是場(chǎng)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(huì)不斷減小，當(dāng)波長可 與電路的幾何長度互相比較時(shí)，傳輸線上的電壓與電流會(huì)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(dòng)性，這與低頻電路恰恰不同。

3、封裝 引線兩端電壓電流由于所謂的長線效應(yīng)而有較大區(qū)別，電路設(shè)計(jì)時(shí)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波傳輸線，包括微帶傳輸線。(2)波導(dǎo)傳輸線，比如矩形和橢圓波導(dǎo)。(3)表面波傳輸線，如常見的介質(zhì)導(dǎo)波和單根線。1、雙線傳輸線作為TEM波傳輸線之一，雙線傳輸線能將高頻電能從一點(diǎn)傳到另一點(diǎn)。導(dǎo)線 輻射損耗非常之高，所以雙線是有有一定范圍地應(yīng)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?/p>

4、薄層來傳輸，同時(shí)起到隔離作用。當(dāng)其 頻率增加到20Ghz時(shí)，近乎全部的檢測(cè)裝置的外接線都為同軸線，在同軸線中， 往往外導(dǎo)體是接地的，因此輻射損耗和場(chǎng)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(dāng)今相對(duì)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(zhǔn)TEV模式，它 的相速和特征阻抗可以由靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)解獲得。微帶線又稱為非對(duì)稱微帶或標(biāo)準(zhǔn) 微帶，是一種單接地板介質(zhì)傳輸線。它是由雙導(dǎo)體傳輸線逐漸變化過來的，即用 一個(gè)非常薄的理想導(dǎo)體板進(jìn)到雙導(dǎo)體內(nèi)，把其中一側(cè)的圓柱移去，再把留下的導(dǎo) 體改成帶狀，并在它與金屬板間加入介質(zhì)材料構(gòu)

5、成，微帶線的電力線分布是左右 對(duì)稱，上下不對(duì)稱，反之帶狀線則是左右對(duì)稱，上下也對(duì)稱，所以微帶線也稱為 非對(duì)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。其重量輕，成本 低。傳輸線方程是描述傳輸線上的電壓和電流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，和它們之間的緊密聯(lián) 系。對(duì)于一個(gè)傳輸線，其電壓與電流關(guān)系如下式：-dv (z, t) /= TH. (z, t ) 4- Ldi (z, t) /(2-4)_ di (z, t) / dz = Gv (z, t) + Cdv (z, t ) / dt(2-5)傳輸線方程即就是公式2-4和2-5o傳輸線正弦信號(hào)源的一個(gè)源端接角頻率 為3 ,傳輸線上V和I的可表示如下：v(z,

6、t) = Rev(z)ejrf(2-6)i(z, t) = Rel(z)ef(2-7)于是即可得傳輸線方程：-dK/dz =(2 + jwL) I(2-8)-dZ / dz = (G +jw。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(dǎo)納。史密斯圓圖在射頻微波工程中，最基本的運(yùn)算是反射系數(shù)7、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Z。、相移常數(shù)尸和長度L的基 礎(chǔ)上進(jìn)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(jì)初期史密斯圓圖的出現(xiàn)以來，因?yàn)樗暮唵危奖愫椭庇^等特點(diǎn)，這么多年 就一

7、直保留了下來。史密斯圓圖同時(shí)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，其包含了阻抗歸 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(jìn)行 研究。在射頻系統(tǒng)中，一般認(rèn)為特征阻抗Z。為50。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）以系統(tǒng)不變量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。到1的同心圓作為史密斯圓圖的基底，使我們可能在 一個(gè)有限空間表示全部工作參數(shù)、Z和VSWR,以公式表示為：r（z）= rv = pF，轉(zhuǎn)Ye =卜3（2-io）其中，夕的周期是1/2/1。（

8、3）將阻抗、駐波比關(guān)系嵌套在內(nèi)圓上。此時(shí)史密斯圓圖的核心想法可以 說明是：消去特征參數(shù)Z。，把歸于r相位；工作參數(shù)r為基底，同時(shí)包含了 Z 和 VSWRo一個(gè)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(fù)數(shù)，意思是阻抗為 容性。圓圖上的任何一點(diǎn)映射著一個(gè)反射系數(shù)以及一個(gè)歸一化的阻抗Z。史密斯圓圖可以廣泛應(yīng)用于射頻微波放大器，振蕩器，阻抗匹配等多種射頻 電路中。可以利用它來完成諸如讀取阻抗，導(dǎo)納，發(fā)射系數(shù)等參數(shù)指標(biāo)，也可以 通過進(jìn)行LC和傳輸線匹配，解決電路中的問題所在，同時(shí)處理電路增益與平穩(wěn)系數(shù)等工作。S參數(shù)射頻放大電路中，

9、低頻時(shí)選擇的斷路、短路試驗(yàn)法則已經(jīng)不能再適用下去， 這是由于工作頻率很高時(shí)，短路的傳輸線會(huì)產(chǎn)生電抗效果，斷路相當(dāng)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(duì)應(yīng)的反射波的做法確定網(wǎng)絡(luò)中的進(jìn)出關(guān)系即就是 S參量法。如下圖2-2,端口 1的入射波為%, A為端口 1的反射波，氣為端口 2的入射波，b、為端口 2的反射波。 郴口幽k _ I圖2-2二端口網(wǎng)絡(luò)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:工 =1端口反射波a,八1端口入射波a1-0a-2端口反射波

10、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(luò)中，S參數(shù)的實(shí)際表示為：是輸出端口 2匹配時(shí)輸入端口 1的電壓反射系數(shù)；邑是端口 2匹配時(shí)正向電壓傳輸系數(shù)，相當(dāng)于一個(gè)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；為端口 1匹配時(shí)網(wǎng)絡(luò)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；工2 是端口 1匹配時(shí)端口 2的電壓反射系數(shù)。穩(wěn)定性在功率放大器的實(shí)踐中，穩(wěn)定性問題是這之間最重要的事情，如何保持一個(gè) 電路穩(wěn)定，是必須解決的。當(dāng)電路穩(wěn)定之后，其余的參數(shù)才能給予考慮。造成一 個(gè)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S參數(shù)等指 標(biāo)。

11、進(jìn)行一個(gè)放大器設(shè)計(jì)前，首先應(yīng)當(dāng)確定晶體管有沒有具有穩(wěn)定。了解一個(gè)電 路是否具有穩(wěn)定，定義公式是：_+ A(2-15)(2-16)(2-17)K =落sj同=1 +入一任一 R岡=1+122 r - iii r -其中，A = SnS22 - S12 + S21如果K1, B0都符合的前提下，那么這個(gè)電路則具有了穩(wěn)定性，若是沒有 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(shí)就需要想辦法使 得電路穩(wěn)定。本次做放大器采用的ADS軟件，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(dāng)于K,判斷StabFactl 是否大于1就行。StabMea

12、sl則為B, StabMeasl大于0即可。圖2-4表示的就是在實(shí)踐中往往用到的穩(wěn)定方法。我們應(yīng)當(dāng)關(guān)注的是，在設(shè) 計(jì)電路中，穩(wěn)定電路一般是加在輸入端口中，因?yàn)樵谳敵龆丝跁?huì)有較大的功率消 耗，但在小信號(hào)放大中，輸入端在加入電阻之后會(huì)使噪聲增加。此外，輸入端加 入電阻后會(huì)在某些頻段引起增益損失，一般需通過加入RC, RL, RCL選頻網(wǎng)絡(luò)加 以改善以滿足設(shè)計(jì)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(duì)放大器有一個(gè)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(jì)指標(biāo)參數(shù)，了解

13、了電路原理的基礎(chǔ)上，才能更好地使用ADS進(jìn)行電 路設(shè)計(jì)和仿真。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(hào)的模式，功率放 大器大致上分為兩個(gè)大類：在兩種模式下，分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(duì) 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(duì)于場(chǎng)效應(yīng)晶體管看，開關(guān)工作模式功率放大器 根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)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

14、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(hào)的整個(gè)周期內(nèi)都是導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通角為360。如圖3T,直流偏 向點(diǎn)往往定在截至點(diǎn)和飽和點(diǎn)的之間這塊范圍。此類功率放大器的優(yōu)點(diǎn)是有著良 好的線性度、失真相對(duì)小，而其缺點(diǎn)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3T 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(gè)不同類型的晶體管構(gòu)成。當(dāng)輸入信號(hào)在正半個(gè)周期范 圍時(shí)，NPN晶體管導(dǎo)通，PNP晶體管截止；當(dāng)輸入信號(hào)在負(fù)半周期范圍時(shí)，PNP 晶體管導(dǎo)通，NPN晶體管截止。這樣在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，兩個(gè)晶體管可以交替

15、工 作，輸出電流和電壓波形仍然會(huì)保持完整。每個(gè)都只有半個(gè)周期打開，因此導(dǎo)通 角為180。由于B類功率放大器的晶體管，在一整個(gè)周期信號(hào)內(nèi)沒有相聯(lián)系， 所以相對(duì)于A類放大器，晶體管的靜態(tài)損耗相對(duì)較低，效率則要比A類稍高一點(diǎn)。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(dǎo)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(diǎn)。每當(dāng)信號(hào)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(yīng)當(dāng)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(shí)際上應(yīng)當(dāng)可以非常高，接近1,然而導(dǎo)通角為0。，也就是當(dāng)一個(gè) 晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)候，并沒有功率的輸出。圖3-3

16、 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(hào)輸入時(shí)，當(dāng)有一個(gè)靜態(tài)偏置電流存在, AB類放大器在輸入信號(hào)的大半個(gè)周期都處于導(dǎo)通狀態(tài)，此類放大器導(dǎo)通角在 180360之間。因此AB類射頻功率放大器是一個(gè)相對(duì)優(yōu)缺點(diǎn)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(jì)我所選擇的功率放大器 就是一個(gè)AB類功率放大器。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(hào)到我們所需要的功率，使接收機(jī)可以 接收到信號(hào)，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

17、、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(gè)參數(shù)都決定了最終系統(tǒng)的好壞。輸出功率輸出功率（/或乙）是反映功率放大器對(duì)外輸出能力的指標(biāo)，通常有最大 （飽和）輸出功率（七）和IdB壓縮點(diǎn)輸出功率（產(chǎn)血）兩種。根據(jù)功率傳輸特征可 以得到，任何一個(gè)設(shè)備都有一個(gè)自己的活動(dòng)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(duì)于一個(gè)PA,在操作過程中為使其有相對(duì)較大的輸 出能力，所以我們往往讓他們?cè)诜蔷€性區(qū)工作，這一點(diǎn)非常重要。當(dāng)PA的輸入 功率上升到一定范圍時(shí)，放大器輸出功率的上升狀態(tài)也會(huì)停止；當(dāng)輸出功率比線 性遞增時(shí)能到達(dá)的功率小一些時(shí)，例如小IdBm,該輸出功率就被叫做IdB壓

18、縮 點(diǎn)輸出功率；如果要繼續(xù)增大放大器輸出功率，就會(huì)達(dá)到一個(gè)位置，在這個(gè)位置 輸入功率即使繼續(xù)增加，輸出功率也不再會(huì)加大，該位置的輸出功率就稱為最大 輸出功率（心了）或飽和輸出功率，它是射頻功率放大器的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。 常見的功率的表示單位有瓦3）、毫瓦（mW）等。常見的輸出功率之外，還有輸入 功率，和表示進(jìn)出端口連接性能好壞的信源資用功率，網(wǎng)絡(luò)可用功率等等。功率增益功率增益對(duì)一個(gè)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(gè)關(guān)鍵因素，通過功率增益可以看出一個(gè)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(dá)式為：6ain =（3-1）匕功率增益的單

19、位是dB,另外一種表示方法是對(duì)數(shù)表示，3-2所示6ain （dB） = /；ut（dBni）-心（dBm）（3-2）國際上，對(duì)功率增益在一個(gè)通信系統(tǒng)中并沒有一個(gè)完全標(biāo)準(zhǔn)的方法表示，由 于功率增益對(duì)于功率放大器是一個(gè)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(gè)功率放大器能輸出多大的功率，這個(gè)放大器也應(yīng)當(dāng)具有相 同的功率增益才可以。比方一個(gè)放大器僅有l(wèi)OdBm的功率，那么這個(gè)功率放大器 也只能有l(wèi)OdBm的功率增益才行。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：2a - sin26z4(sine -

20、acosa)式中，2a是功率放大器一個(gè)24周期的導(dǎo)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限同理B類為樂C類為100乳在A類到C類功率放 大器的過程中，它們的效率從上升到100%,而從輸入端傳到負(fù)載上的功率卻逐 漸變小到0,根據(jù)這個(gè)可以推出公示3-4：2a - sin26z 1 - cosa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(dá)式如3-5 所示：P - PPAE =線性度線性度是衡量功率放大器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)比值的線性關(guān)系的參數(shù)。在設(shè) 計(jì)放大器過程中，當(dāng)放大器工作在大信號(hào)狀態(tài)時(shí)，我們必須要考慮晶體管的非線 性效應(yīng)。(1) 增益壓縮當(dāng)功率放大器的輸入信號(hào)幅度

21、在某一范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出信號(hào)的幅度與輸入 信號(hào)的幅度會(huì)呈現(xiàn)線性關(guān)系，即功率增益保持恒定。但隨著輸入信號(hào)幅度的增加, 晶體管的工作區(qū)域由線性區(qū)會(huì)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IdB時(shí)的功率點(diǎn)來衡量 一個(gè)功率放大器的線性度，這個(gè)點(diǎn)稱作IdB壓縮點(diǎn)。(2) 諧波失真諧波失真是衡量功率放大器的一個(gè)重要指標(biāo)，它是指當(dāng)功率放大器輸入單一 信號(hào)時(shí)，在輸出端，除了基頻信號(hào)被放大以外，原信號(hào)的各次諧波也被放大，導(dǎo) 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(luò)進(jìn)行諧波抑制才 可以。(3) 交調(diào)失真交調(diào)失真指的是每當(dāng)射頻功率放大器輸入端的

22、頻率相差非常小時(shí)，這個(gè)時(shí)候 會(huì)出現(xiàn)因?yàn)檩斎胄盘?hào)的和差而產(chǎn)生的交調(diào)失真信號(hào)。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(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的危害。比如下圖中有兩個(gè)不同頻率的輸入信號(hào)力和f?, 由于功率放大器具有非線性，輸出信號(hào)中將會(huì)出現(xiàn)很多很多新產(chǎn)生的分量，如圖 3-4所示。mf nf. (m、n=0、l、2)(3-6) 1圖3-4放大器的交調(diào)失真每個(gè)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:乩 n = lOlog-(dBc) niTnQ p(3-7)三階交調(diào)失真的定義的基頻信號(hào)的輸出功率和三階交調(diào)信號(hào)的功率相比之 后的

23、取值，即：(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(hào)的輸出功率與三階交調(diào)信號(hào)dBm的差值。三階交調(diào)點(diǎn)（IP3）的定義是是基頻信號(hào)功率和三階交調(diào)信號(hào)功率的虛擬延 長線上相交的點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就是三階交調(diào)點(diǎn)。一般而言，三階交調(diào)點(diǎn)的功率大約比 IdB壓縮點(diǎn)的功率要高lOdBmo（4）錯(cuò)誤向量幅度發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號(hào)除了不在相鄰?fù)ǖ纼?nèi)產(chǎn)生影響外，對(duì)它的本質(zhì)要求是通道 內(nèi)的信號(hào)具有很高的質(zhì)量，能被接收機(jī)準(zhǔn)確解調(diào)。錯(cuò)誤向量幅度（EVM）就是為 了衡量發(fā)射機(jī)的信號(hào)質(zhì)量而引入的參數(shù)。EVM就是發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)錯(cuò)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(jì)與分析射頻功率放

24、大器的設(shè)計(jì)概述功率放大器的設(shè)計(jì)步驟功率放大器設(shè)計(jì)通常需要以下幾個(gè)步驟。（1）確定指標(biāo)，選擇工藝并添加設(shè)計(jì)所需的工藝庫。（2）按照我們對(duì)此放大器的要求與我們所選擇的相應(yīng)晶體管的特性決定 它的靜態(tài)工作點(diǎn)。（3）進(jìn)行功率放大器的電路設(shè)計(jì)。（4）對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真，分析仿真曲線并優(yōu)化。功率放大器的指標(biāo)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(jìn)行設(shè)計(jì)。本章就以一個(gè)AB類功率放大器來說明如何使用 ADS2009軟件進(jìn)行功率放大器的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的AB類功率放大器指標(biāo)為：工作頻率：900MHzoIdB壓縮點(diǎn)輸出功率：35dBm。增益：）20dB。確定設(shè)計(jì)指標(biāo)后，就可以

25、進(jìn)行功率放大器的設(shè)計(jì)和仿真了。射頻功率放大器仿真設(shè)計(jì)軟件的介紹自二十世紀(jì)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EDA軟件ADS因?yàn)槠浔憬莸牟僮骱筒僮鞫鄻有? 使得越來越多的人認(rèn)識(shí)并了解，為眾多射頻電路愛好者提供了一個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)電 路工具，ADS軟件包含了多種EDA軟件的好處，計(jì)算精確，設(shè)計(jì)功能全面且易于 操作，在最重要的仿真方面，可以進(jìn)行時(shí)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仿真，總之，ADS軟件是一個(gè)業(yè)界非常優(yōu)秀的軟件，得 到了眾多人們的支持。ADS軟件能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、電路、全三維電磁場(chǎng)仿真，并且可以與其他仿真軟件

26、以及安捷倫測(cè)試儀器進(jìn)行連接仿真驗(yàn)證，可以使設(shè)計(jì)者在繁雜的系統(tǒng)、電路中快 速的完成電子設(shè)計(jì)并通過測(cè)試。ADS是射頻放大電路初學(xué)者和愛好者最初都會(huì)用的設(shè)計(jì)工具，它功能的強(qiáng)大 亦無須多談，下面簡要的介紹幾個(gè)ADS仿真軟件的功能：（1）線性仿真器：頻域電路仿真器，用于進(jìn)行S參數(shù)，直流和交流小信號(hào) 仿真。（2）射頻系統(tǒng)仿真器：使用精確的模塊級(jí)模塊對(duì)整個(gè)射頻系統(tǒng)進(jìn)行建模（3） 13類優(yōu)化器：可對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)最佳的產(chǎn)品性能（4）連接管理器：用于安捷倫測(cè)試儀器進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸射頻功率放大器的仿真現(xiàn)代移動(dòng)通信的發(fā)展對(duì)移動(dòng)終端的要求變得越來越高，本文中設(shè)計(jì)了 一個(gè)工 作在900MHz的AB類功率放大器。我選

27、擇了飛思卡爾公司的LDMOS （Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor）功率管 MW6S0ION,通過對(duì)管子所進(jìn)行直 流工作點(diǎn)的仿真、設(shè)計(jì)偏置電路以及匹配電路、對(duì)匹配電路進(jìn)行優(yōu)化、諧波平衡 仿真，通過這些設(shè)計(jì)步驟，最終可以得到我們所設(shè)計(jì)的AB類功率放大器的工作 點(diǎn)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(biāo)，從而完成設(shè)計(jì)放大器。靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇選擇功率放大器的工作狀態(tài)確定靜態(tài)它的工作點(diǎn)，在ADS元件面板中入 MW6S010N模型庫，然后根據(jù)ADS仿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(jìn)行仿真。+1

28、VJDCSRC1Vdc=VDSHarartSwepSweep 19weepVar=*VGS-SimMstanccNanen=DCSimlnstanceName(2|=SimlnstanceNane(司二SimlnstanceName4=SimlnstanccNme5|=SimlnstanceName5= Starts仿真結(jié)果為:士FSL MM69010N TECH WCXUDEFSL R10NJECHJNCLUDEFSLFETFSIL1FSLJTECHJNCLUDEQl_Pn*e IDSRTH=CTH=1DC DC1 SweepVarVDSr Starts Stop=30 Step=0.6rv

29、s-iVAR回 VAR1Set drain and gate dtage sweep imits as needed.圖4T直流掃描電路VS-iWQVGM5O0VGSM COOAGS-3 500S3COOX(XLUtock?TkmTam22=S0 OhmFSi MT6SO10N &d2乒Q MOIX IFETTSL1TSNKFRTUStii)FadSP1StabFadlStart-01 (trStabFadlWabJac峋 St(朽21a業(yè) StenFSt_TRH_rUDEFSLWKWCKjrCHJHaWEFSL MWGSD1ON JECHJNCLUDEZg CfcsptiyUfirfcto(

30、feptCfT)1S_Parns_OMd dB_Sl,即穩(wěn)定因子K1,功率管在整個(gè)帶內(nèi)穩(wěn)定。 從仿真結(jié)果可看出，低頻時(shí)由于寄生效應(yīng)的影響，K1,可能會(huì)發(fā)生振蕩。所以 在設(shè)計(jì)過程中，要用一些措施對(duì)放大器進(jìn)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(huì)發(fā)生震蕩，所以要采取一定的穩(wěn)定措施來使晶 體管處于穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定措施有很多很多，常用的一種是在晶體管的柵極加入一 個(gè)小電阻，然而電阻的加入會(huì)導(dǎo)致增益和功率的降低，所以可以在電阻上并聯(lián)一 個(gè)電容來減小損耗，本次穩(wěn)定因子大于1,所以不需要采取穩(wěn)定措施。輸入輸出匹配阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是成功地設(shè)計(jì)射頻功率放大器的關(guān)鍵所在。本文將采用負(fù) 載牽

31、引法設(shè)計(jì)輸入輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。負(fù)載牽引設(shè)計(jì)方法在進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)之前，先簡單介紹負(fù)載線與共癰匹配的區(qū)別。當(dāng)不考慮 信號(hào)源的物理限制時(shí)，共朝匹配確實(shí)是可以使負(fù)載上得到最大功率，我們可以通 過共敘匹配獲得最大功率值，但是真正的情況是晶體管常常要受到各種條件的限 制和影響。相反，負(fù)載線匹配方式則主要考慮到了電路實(shí)際工作時(shí)可能出現(xiàn)的最 極端的情況，即一個(gè)信號(hào)源的最大承受電壓七x和最大輸出電流/皿。當(dāng)一個(gè)信 號(hào)源的輸出電流受到相應(yīng)的限制時(shí)，信號(hào)源所能輸出的電壓就會(huì)很小，負(fù)載上的 功率也會(huì)很?。涣硗庖环N情況，當(dāng)信號(hào)源的輸出電壓受到一定的限制時(shí)，信號(hào)源 所能輸出的電流就會(huì)變得很小，負(fù)載上的功率相對(duì)應(yīng)的也會(huì)非

32、常小。在進(jìn)行功率放大器設(shè)計(jì)時(shí)，確定通常采用Loadpull曲線來獲得輸出端匹配電 路的阻抗值。Loadpull曲線是輸出功率隨負(fù)載阻抗變化的曲線，通過該曲線，即 可獲得最大功率輸出時(shí)的阻抗點(diǎn)。Loadpull曲線可以通過ADS的Loadpull仿真獲 得。負(fù)載牽引設(shè)計(jì)Load-PullLProtepIIISet these bikies:LPiobe Is lowP-Probe P LoadFSL FETFSL1 TSNK=-1 RTH=1 CTH1PanraSweepSwcp1S1P_Eq S1 SJ1.1)=LoadTmM 41 卜 2DP=dbmtow(Pavs) Freq=RFirBq

33、Statt.Modd FLC301XP Trise=一 SRC2Vdc=VlowVP_1Tom C1 PORT1 O NurrrdrronVARlstwulusPaw=25_dBm RFteq=900MHz Vhigtk 15Vbw-6.3PZAMETER SWEEPHARMONIC BALANCEHarmxicBakiiKQ HB1FSL TECH INCLUDEFSL_MWBS010WJIECH_MCLUDEFSL MW5S0WN TECH INCLUDE圖4-6修改好的Loadpull仿真電路原理圖在ADS中先插入Load-Pull模板，將FET模型替換為MW6S010N模型，然后運(yùn)用

34、負(fù)載牽引法確定Load-Pull的范圍，并結(jié)合Smith圓圖進(jìn)行匹配，最后生成匹配電 路。將匹配電路經(jīng)過仿真，如圖4-7, 4-8：irxJepfPdfel contours sea fed) (O.DM & &8,D00) 一d4口;=R.E_如wd) (D.KQ 1, Sjj.CCCjPSCOF 出 nsUQS PJ poraomSJnoEOom4in dep(m 4)=64Pdel_co ntou rs_sc a! M=0.5 50，1G6919 levsl= 3*8.644729, num ber=1im pedance = Z0 * (0.430 + jO.6491) m 5indep(m 5)=68PAE_contours_scaled=0.753/ 95.5S3Ieel=49.7587