射频功放设计

《射频功放设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《射频功放设计（17页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、基于ADS的射频功率放大器仿真设计1. 引言各种无线通信系统的发展，如GSM、WCDMA、TD-SCDMA、WiMAX和Wi-Fi,大 大加速了半导体器件和射频功放的研究过程。射频功放在无线通信系统中起着至 关重要的作用，它的设计好坏影响着整个系统的性能。因此，无线通信系统需要 设计性能优良的放大器。而且，为了适应无线系统的快速发展，产品开发的周期 也是一个重要因素。另外，在各种无线系统中由于采用了不同调制类型和多载波 信号，射频工程师为减小功放的非线性失真，尤其是设计无线基站应用的高功率 放大器时面临着巨大的挑战。采用 Agilent ADS 软件进行电路设计可以掌握设 计电路的性能，进一步

2、优化设计参数，同时达到加速产品开发进程的目的。功放(PA)在整个无线通信系统中是非常重要的一环，因为它的输出功率决定了通信 距离的长短，其效率决定了电池的消耗程度及使用时间。2. 功率放大器基础2.1功率放大器的种类根据输入与输出信号间的大小比例关系，功放可以分为线性放大器与非线性 放大器两种。输入线性放大器的有A、B、AB类；属于非线性放大器的则有C、E 等类型的放大器。(1) A 类：其功率器件再输入信号的全部周期类均导通，但效率非常低，理想 状态下效率仅为50%。(2) B类：导通角仅为180，效率在理想状态下可达到78%。(3) AB类：导通角大于180但远小于360。效率介于30%6

3、0%之间。(4) C 类：导通角小于 180，其输出波形为周期性脉冲。理论上，效率可达 100%。(5) D、E类：其原理是将功率器件当作开关使用。设计功放电路前必须先考虑系统规格要求的重点，再来选择电路构架。对于 射频功放，有的系统需要高效率的功放，有些需要高功率且线性度佳的功放，有 些需要较宽的操作频带等，然而这些系统需求往往是相互抵触的。例如，B、C、 E类构架的功率放大器皆可达到比较高的效率，但信号的失真却较为严重；而A 类放大器是所有放大器中线性度最高的，但它的最大缺点是效率低，这些缺点虽 然可以用各种Harmonic Termination电路的设计技巧予以改进，但仍无法提高 到与

4、高效率的功放相当的水平。具有高效率、高线性度及高功率的功放乃电路设 计者所努力的终极目标。2.2 放大器的主要参数1）1dB功率压缩点当放大器的输入功率非常低时，功率增益为常数，放大器工作在线性区。当 输入功率增大时，受到放大管非线性影响，放大器功率增益逐渐被压缩，限制了 最大输出功率。通常取输出增益比线性增益小1dB的位置来定义放大器工作范围 的上限，也就是ldB输出功率压缩点。2）功率增益3）效率 在输入功率转换成输出功率过程中，一定会有功率损耗，并且效率与线性度往往都是相互抵触的，因此再设计放大器电路时必须视系统要求而做适当取舍。 以下为一般放大器效率定义：PP集电极效率耳 =Ot =O

5、ut c P U * IDC DC DCP - P功率附加效率耳-Out InPAEPDCP总效率耳- 卄T P + PDC In4）失真 谐波失真：当功放输入单一频率信号时，在输出端除了放大原信号外，原 信号的各次谐波也被放大，因此极有可能干扰到其他频带，故在系统中均有明确 的谐波衰减量的规定。 AM to PM Conversion:当输入功率较大时，因S21包含振幅与相角，而 相移会随着振幅增加而改变，则原本的AM调变会转而影响FM调变的变化。 互调失真：当放大器输入端输入两个频率分别为f + f、f - f的信号c m c m时，在放大器的输出端除了输入信号灯各次谐波外，还会出现因输入

6、信号频率间 的和差所产生的互调失真信号，对系统产生的伤害主要集中在载波频率 f 附近的c 三次、五次等奇数阶次的互调失真信号。互调失真信号因与载波频率 f 太过接近， c 难以利用滤波器将它消除，并且又极易干扰相邻频率。2.3 负载牵引设计方法通常功率放大器的目的是以获得最大输出功率为主，这将使得功率放大器的 功放管工作在趋近饱和区。S参数会随着输入信号的改变而改变，尤其S21参数 会因输入信号灯增加而变小。因此，转换功率增益将因功率元件工作在饱和区而 变小，不同于输出功率与输入信号成正比关系的小信号状态。换句话说，原本功 率元件工作在小信号工作状态，输出/输入端都设计在共轭匹配的最佳情况下，

7、 随着功率元件进入非线性区，输入/输出端的共轭匹配就逐渐不再匹配。此时， 功率元件就无法得到最大的输出功率。所以设计功放的关键在于匹配网络，这可 以利用负载牵引(Load-Pull)原理找出功率放大器最大输出功率时的最佳外部 负载阻抗ZL。Load-Pull是决定最佳负载阻抗值最精准的方法，用来模拟及测量功放管在 大信号时的特性，如输出功率、传输功率增益、附加功率效率，以及双音交调信 号分析的线性度IMD3和IP3。功率放大器在大信号工作时，功率管的最佳负载 阻抗会随着输入信号功率的增加而改变。因此，必须在SmithChart上，针对给 定一个输入功率值时绘制出在不同负载阻抗时的等输出功率曲线

8、，帮组找出最大 输出功率时的最佳负载阻抗，这种方法成为Load-Pull。我们可以利用负载牵引的原理，通过Agilent ADS来构建模拟平台。功放设 计最主要的目的就是得到最大的输出功率，所以需要有良好的输入/输出阻抗匹 配网络。输入阻抗网络匹配主要用于提供足够高的增益，而输出阻抗匹配网络则 用于输出要求的输出功率。2.4 PA设计的主要步骤设计功率放大器包括一系列步骤，如功率晶体管的选择、匹配设计、偏置电 路的设计和EMC问题。本设计采用了飞思卡尔半导体的LDMOS晶体管MRF9045N， 在ADS环境下仿真该电路的特性。本设计步骤如下：直流扫描稳定性分析Load-Pull运用Smithc

9、hart进行匹配Source-Pull电路优化设计电路Layout2.5 PA设计参数本设计PA的参数如下：频率：945MHz输出功率：45W输入功率：1W效率：40%电源电压：28V功率管MRF9045N的主要指标如下：频率：945MHz电源电压：28V输出功率：45W前期功率增益：18.8dB效率：42%IMD：-32dBc3设计过程3.1 直流扫描经过直流扫描仿真得出管子的直流I-V曲线，从而确定放大器所需的静态工 作点。找到静态工作点，也就基本确定了放大管的工作状态。本设计功放管为 AB类，所以选取V二3.6 V，I二368mA，作为静态工作点。GS DSFETCure TracerF

10、SL TECH INCLUDEFSL_TECHNCLUDE 直爲 I諡国I VD =6 V P二VGS =0V ，DG1.Sweep Var=VDSKSian=OStap=2B*2S1ep=b,2f-+_V_DC 二晁T -TVdc-VDSkWiPk-GSI MODEL=MRF9b 5NSwurte* TSMK二25 *”PARAMETER SWEEP.Fararn Sv/e-ep7 呂e已p1SepVaRGS Simin stanceName 1-DC1 Sim In slance N ame (2= .5im In stance N ame 3-. Sim In stanc-e N ame

11、 4| = Simin stanceN ame 6 Simin stanceName 6= 3tart=2 Stop=5Step =0.1 R1H=-1 CTH=-1 .Set drain and gate valtage sweep, limits as neejcledDspl ay Template disp-rempl 1FET_c.uirve_fracerJ,-图1直流扫描模板的FET Bias CharacteristicsUse with FET_curve_tracer Schematic Template-6 5 4 3 2 1 0 5-:2HIX_Bldck_DC Blo&

12、k2T=rm T=rm2 Nupi=2 . Z=50 Oh msF=_TECI-JNC_UCt.FS.L FTI.C.LUDE -I:S-PARAHE_ERS 1&Pararr.S PStartFl ：0 MUzlStep：-FE L_ imCFLM ETJMODEL - hSRFIUIOC-EL=UIR-roCi4E-M . TSNK=25F?TH=-iCTH=-1| 53EFac 1StabFattE-tabFa-otlSti bFsjct !=- b_.nattS).图3稳定性扫描原理图图4仿真结果显然，在以1M3G频率范围内，电路稳定因子StabFcact基本上小于1，电路并不稳定，需

13、要添加维稳措施。电路中增加了RC并联电路及偏置电路。 VJXJf .化mrt_申cngeitM检cieb理L+ | SRC1C2 k L1Vdc=3 6Vr J艷赵齧性严融伽泅_J_1關迦 :I : 1：.卄 sc_avx_Gfl。为后续的设计工作做好了准备。3.3负载牵引设计Load-Pull插入Load-Pull模板，将原有的砷化镓FET模型删除，替换为加入了偏置电 路后的MRF9045N电路，并进行一些修改，得到如下原理图。U=r曲 ls_hi 口 ETIIif炬匸hJQQEL1_円曲Is lawftC1RTH-1 CTH-1 DCBfedci 一VSRC2 V_high 1sLtak_

14、L12&12-F. _辭玄.V=0jCVhig hP_10冃 PC_0kci.PCRT1 DC_Bk:c*1 t5图6修改后的原理图IW8C drctaCTrns ) ； QQCC tl 3I4.3：OCircle Radius SolIgs.m I二-一 m mpm 包urn 日I.jDpm c丄三m ws.3rKJ吕.m 丄 DpmJII-.osa 1 CHir-ar ircsH wi旧尸桃 rhc5-0.6E2 4p.12lI rr&frcsnfi-二 ZD 打S3 寸 JD轴)Reflection cosrticientat markersHcenrter心g oente Ri.E n

15、onfnurs-jjJ O.OMfc fl.COCjMa?ain uiF cwer-Ad d&jE Aficiency, %5TT5IMawn unP ovirD& dBm42.26m 1 imdepfn 1 ;=(KI nixn b-er=1ti pedance = 1.31 - ,2.113i2indejn2:=2Pds_icnturE_p=Z.9G0/ 17E.251= 42.251661. niniber=1i pedance = 1.017 - ,2.2 73图8最大输出功率时的输出阻抗利用Smithchart进行匹配，调用匹配控件，建立如下匹配电路原理图。JsnrTbrnr l N

16、uim=1 2=60 Ohm.S-PARAM ETE RS-Faram -St3rt=D.9 GHzStop-lSHz Stsp=1 MH.DA_Smi th Cti art Mstch1_Qjtput_ni atch DA_Smi thCtisrt FdstchlF运昵 MHs Sfi-LFO&TpfiRte&ir c-LrcsEf!3te ls=Tr us -1 Rg=5O Qhm .L=1.nH牯1 pFZg=S& Own Sc-Lro&FIIZSajro&.Si 1p! Sfi-Lr csFilsSp-am- 1.1 f.Sc-ixodmplpG=Sajrc& Inrp-Bdanoe

17、LBsdT-E=Ca- mpl e!町 遐也 nae- LadE.nsfc-lw=Tru&RL=fiO Oirri-L=1nH CL=-1 pFDhni _ 归邑 FileSp3rrn=H” Lzs-dlrripTyp-aLna-d Irnpe-dan.ZD=50phmC&ferrn. .fermi . NLiTF=2 Z=1.D2-jfi2U图9输出匹配原理图在smithchart上完成匹配前，应考虑到功放管电极最大尺寸为6.35*5.59,在FR4上阻抗，最大阻抗为230hm,电长度最短为14.2deg。Substratn PararriHtursIDMSUB_DEFAULTEr|4.G0

18、0Mur|1.000|N/A dlH|1.000rmnnHu13 9曲4| mrri”T10.035| mm匚 cindId 1“hi “圖J|Conriponent ParametersFreqPhysical|N?A 二Synthesis 已AnalyzeA.VWainWall2MHz_rniirniiElectricalEU123.093800E-Eff114.205600Ihm jtj degHIJnza3I|n/A jJI|n/a图10 MRF9045N电极阻抗计算11图11使用smithchart匹配用实际元件替代输出匹配电路，并且进行参数优化，力图得到性能良好的电路，电路和仿真结

19、果如下。lerrnWjtfI MOhrr.一一-.D忙gnryCr aqMCiJQutpLtEctiDA_SmiirCr arMitcnlFp4f* MHz 孔弓匚野鸟丁印如.去LfiG丹peRfeist诒 .匕汨昌FifeNLiedjslp -SLrcH=.-naBe=TruGLrsdFil&SpQrrrF.Rg=5DOmLDS-dirrpTp&=Lnsdimp&Earos.Lg=1.nriZ&=50phri4va-h_fefTT：.NHjtf2MSubS-PARAM ETERSIV日阳. IVScbl H-1 mm 曰=.4.些 Wlt=1 Codd=1.0&5C Q HlI.Db+023

20、 m T=amrr- l3nD=3 .GOALCg=i pF=50Chm-Siute1 lie- ZSoGfo&.S 1 pSeLKB= ileSGSflTF- (瓷 1 ；SoLiosimInp-BdsnLss:En3kl=TrLie RL=SD0hm Lii-nrt- CL=1- pF- Tl-Vn閃呢 Bn手中 左HiOMi NEILIST INCLUDE |MURATSJnduCs财 LN TUT W=1 .S.rrmL=4.C-rrimMUN 7LZ- W=1.3.mni 12tvh SAMOS DE-.rvuM7L3r 宅 rrm .L=S mmfefTTlfern +UE斗-Go

21、alppi-lm Goals 吕沪由 但zfjr Slnilns tan:uMnD：2Mskt-w&fehtRap&-sr|1p,ri=iqRarigGh1ln；1iB0C-MHz 尺 ang&h1a41l1CD3tH2：RiE3UDFirnlSoaK&Dd3(S12J .品F*曰m. SJeIe 血 DoNmLSFI S nlnstar od-j 3T15= SF1 皿丁二.Mir-Mk Msk30讥初-WeqTr=-R旳口网F则-讯也闻1戶帖于- 衍沪叩BpNHz .尺盹曲1叫侣驱閘hz . ggnW哒1：-13O3M4r RardWB1|=1C0CMI-EGceiICttnii3dal2

22、 曰pTEHSIf Sinirstan amG=SPT-.Min=Msjf-30Wsqn= Rarga/arfTr&qr F：argEMi1?=ffi0fcHtz - REupe4l|=1W3MHz 图12实际元件替换与参数优化MlfTBq=&4E-.0MHz dBCSfZI )T妙 c-ptltsr=DmN firsq=&4-.OMHz dBtS43=MD1 optlt-6r=3JOP-0_3ml-n j|-iL-T.-/J、=:111111111dWO 口争 00 口_3& 口討口曲 口壬 0至 QW 18电&弓 w-s(aUV*req 石Hz.dpCptimOptimlCptim lyp

23、e-RELricciv -MB&jteri -25-.E sc irEdErrcr.D .日产些严心N AnalAiay5H：-5,N kameliEsGG-Bfa -nc-Set9 et tVb I Le -reqiBoajJMrfEto 1 oaosHz：图13优化后的仿真结果3.4源阻抗牵引设计Source-Pullzl=( r+r 1.5 orinifeim Term 2Z=1 25+1*1 4-74Sou rcefpe- Resisli、巴SourceEnable=Fal3eRg=50 OhmL尸nHcg=1 phZg=50OhmBourceFilc-J,ZSoiunce.5J p|

24、RSou rc&F il e Spamn -!，S(1 1Source Im p1ype.= Source Impedance _oadType=Series RLC -MdEnable-ralseL-5b Ohm_L=八 nHCL=1 -pFLoacl尸ilie=它L加G：s1p-LoadFileSparm=,S(1- iyrLoad mplypeLcad ImpedanceZt)=5DOhm| S-PARAMETERS IS_-:aiam SP1 . Starlet J ri GHz Stopl OGMZStep=1 MHz和Load-Pull的设计方法一样，首先调整好Source-Pul

25、l的范围，进而得到输入阻抗的值为1.125-j *1.474。I ermI忖 口 门=jDA_S ti ilhCh aitM atchlnate h7_-r，DASm ifriChartMaichlFp=945 P?lHi图14输入匹配原理图MLINTL4 训=时宀L=11.31 mmW=9.S4 mm.1 rnt .ferm4图15生成的电路甘C-J CflGD JLD p pm3rri3fi ea945 OMHzdB(S(2nl)=-0 018ptlter=0ttt4-c. r freq=94&.0MHz d 日 Q(4,3)5 闌 1 O|Dtl 怕= 丁G? CDS-o.t二兀GAC.

26、KC K1.0 092/ 84 rrtHter=O /、_hnpEd的ce 二 E0.05了 于旧202m2FrEq-974.0lTHz S(4a4)=0.)32/-28.522 optlter=0 i祁闭einuu = 52.B了7 - jl-B23freq (9Qa.3MI-t to I.QQaGHz)图16仿真结果的对比3.5电路优化设计经过谐波平衡仿真，得知在输入功率为30dBm (1w)时，功放的输出功率、 附加效率、ldB压缩点均不符合要求，增益也严重偏低。因此，在输入、输出电 路中加入了 MTaper、MTee元件，偏置电路中加入了更多的去耦电容，对微带线 进行了优化。V5_l=

27、real(VGQP图17优化后的原理图23fs_h=rEal|yDp|；Q_li =1691(10 iD|： gfllaJ-realilG D) 甌PdC书_11曲山_毗_|41 B-20Fower DeiwegQ 3nd 可曲er_Adci&J 怖口師训 Caku laborss3L_J _扌ALr.i34P GnO.OOO d GdID1=-1783、DflEr=DI AIllir,riini11111! 2? .2III! s m：E11 1154：SB Pcfel_W3tts=reai(0 5V|Qac(1 pconj Qld.i1) 卸 Pazs_Wam Dr(Aii-3DVlO)I

28、SSI-Az -0j ikl_7vj：LiPcc 阙 Fdei_dBm= 1 DlogiaPd&LWatteHM GfFPdel_dBm-Pinpr图18电路仿真结果3.6电路参数的测试建立模型将优化后的原理图中的所有控件、Term及电源，用Port代替。选取合适的 模型图表，对原理图进行封装，得到如下模型。M RF9045N_sym bolX1_图19模型图标IMD3 和 IMD5的测试插入模板HB2TonePAE_Pswp，并将MRF9045N_Symobl添加到原理图中。SR-S2 -I*; i-3 - 士J_0C- 丁 S3-l_RQtienp：T_TRiie PQfTI wm-1 z

29、-z_sFreqjl i-RFfieq-fe 阳百亠 匸備（2卜帘氓毋谕死砧2= ? 1-d iten -pp|-ci so riwfrpower-iFSL TECH INCLUDE r .Tfeml -z-z kdrri图 20 放入 MRF9045N_SymbolOutput SpectrumZoomed 0 utp ut Spect n.im. dBm-1O-12Z- -1-Z-nKJ口OiJJ1kLIikit11JLii 1111 | i 1111111111 2 ： =Frequen cy50J-50-：-1)7-1 50-Third-Order IM D. dBc-2：-40-64

30、t-SC-7400會一口M口O.-0.00口20.0Cutput P cwei; Both Tbnes, dEim3.7 版图 layoutF i&quencyFifth-Order IMD, dBtOutput Paver Both Tones, dBmR.F Pc-erSelector711111111111-32.2 -22.2 -1C.2 2.222 1C 222.2RF PCheriBnth Tbnss图21频谱仿真结果SD.& 4D.D图22本项目自动生成的版图4.小结本文主要简介了射频功放的基本原理、概念和设计的一般步骤。在设计的过程中，参考了相关的文献，加深了对功放设计的理解、

31、熟悉了 Agilent ADS的使用。但是，仅仅限于浅薄的水平，仍有很多不解之处，仍有许多工作要做。参考文献：1 徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例M.北京：电子工业出版社2 陈艳华，李朝辉，夏玮.ADS应用详解:射频电路设计与仿真M.北京:人民邮电出版 社3 Reinhold Ludwing，Pavel Bretchko.RF Circuit Design Theory and ApplicationsM.北京：科学出版社4 闫博.基于ADS的射频功率放大器的仿真和设计D.长沙：国防科技大学,20105 南敬昌基于ADS软件的射频功率放大器仿真实现J.葫芦岛：辽宁工程技术大 学，2

32、0076 孟海成.基于ADS的1900MHz射频功率放大器设计D.郑州:郑州大学,20107 崔庆虎.基于ADS的基站射频功率放大器的设计与仿真D.郑州:郑州大学,20128 蔡钟斌，周邦华.基于ADS的MESFET功率放大器设计J.绵阳：中国工程物理研究院 电子工程研究所,20039 李文广.射频功率放大器的研究与设计D.武汉:华中科技大学,200610 黄谋辉射频功率放大器的研究与设计D.北京:北京邮电大学,2007SF1.Slart=1.D.MHz.Stop- S GHzSlsp-|善 | Displylemplate.di.sptempl*S_Params_Cijad_ dB Smith