射頻功率放大器的設(shè)計(jì).doc

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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 鄒昕 畢業(yè)時(shí)間 2016 年 6 月 畢業(yè) 任務(wù)書 一、題目 用于通信系統(tǒng)終端的 PA 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 二、指導(dǎo)思想和目的要求 現(xiàn)階段，當(dāng)代社會(huì)無線通信技術(shù)飛速的發(fā)展。在我們的日常生活中，諸如 藍(lán)牙 ，WiFi 等無線通信技術(shù)隨處可見，目前無線通信系統(tǒng)已經(jīng)全面進(jìn)入 4G 時(shí) 代，未來又將步入 5G 時(shí)代。功率放大器雖然只是無線通信系統(tǒng)中很小的一塊， 然而其設(shè)計(jì)的好壞卻關(guān)系著系統(tǒng)整體的性能，目前，世界上無線通信用戶的人 數(shù)逐年的遞增，它的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)成熟。由于通信業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)于功 率放大器我們也提出了新的要求，我們要設(shè)計(jì)出性能良好的放大器來支撐整個(gè) 無線通信系統(tǒng)。 AB 類功率放大器是一個(gè)相對(duì)在效率和線性度折中的一種放大器，是功率 放大器最為常用的一種形式，應(yīng)用十分廣泛。AB 類功率放大器處在 A 類和 B 類放大器中間的位置，導(dǎo)通角在 180°~360°這個(gè)范圍。在確定放大器指標(biāo)后， 首先要對(duì)采用的晶體管進(jìn)行直流工作點(diǎn)的掃描分析，以獲得最佳的工作狀態(tài)。 完成晶體管支流掃描后，還需要對(duì)射頻功率放大器電路的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以 保證其工作的穩(wěn)定。對(duì)于射頻放大器，往往用的是在輸入端進(jìn)行阻抗匹配的共 軛匹配，共軛匹配是一種常見的處理方法，這樣做可以很大的范圍內(nèi)降低功率 的反射，功率的反射整個(gè)電路影響非常大。另外，在輸出端，我們一般用負(fù)載 線匹配的方式。在真正進(jìn)行放大器的操作實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們會(huì)采用 Loadpull 曲線， Loadpull 曲線可以確定匹配阻抗的阻值，讓我們了解參數(shù)的范圍。通過使用 Loadpull，我們可以得知當(dāng)最大功率輸出時(shí)的阻抗點(diǎn)是多少。 三、主要技術(shù)指標(biāo) 本次以一個(gè) AB 類功率放大器使用 ADS2009 軟件進(jìn)行射頻功率放大器的設(shè) 計(jì)，設(shè)計(jì)一個(gè)指標(biāo)為工作頻率：900MHz；1dB 壓縮點(diǎn)輸出功率： 35dBm；增 設(shè)計(jì) 論文 益： 20dB 的 AB 類功率放大器。在完成仿真后，從頻譜中應(yīng)當(dāng)可以看到功率 放大器在 900Mhz 時(shí)輸出最大功率譜信號(hào)。 四、進(jìn)度和要求 第二～三周 了解并明確畢業(yè)設(shè)計(jì)題目和方向，完成開題報(bào)告和任務(wù)書 第四～五周 查找相關(guān)資料，并學(xué)習(xí)理論知識(shí) 第六～七周 查閱資料，學(xué)習(xí) ADS2006 軟件相關(guān)知識(shí)，并熟練掌握運(yùn)用 第八～九周 定設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)原理圖，提交外文翻譯，完成中期檢查報(bào)告 第十～十一周 設(shè)計(jì)仿真，分析并解決實(shí)驗(yàn)過程中的錯(cuò)誤，對(duì)仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行完善 第十二周 對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)定型，驗(yàn)證結(jié)果及修正，對(duì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行整理 第十三～十四周 初步完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的撰寫，并檢查其中的錯(cuò)誤，對(duì)論文進(jìn) 行校對(duì) 第十五～十六周 完成論文，完成畢業(yè)答辯 五、主要參考書及參考資料 [1] 徐興福.ADS2008 射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社. 2009.9 [2] 黃瑜藍(lán).ADS 射頻電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社.2011（2） [3] 車相前.基于 ADS 射頻電路的設(shè)計(jì)和仿真.北京：人民郵電出版社.2005（4） [4] 廖承恩.微波與天線技術(shù)基礎(chǔ)[D]. 南京：南京郵電大學(xué)出版社.2005 [5] 陳亦匡.濾波器的設(shè)計(jì)[M]. 北京：人民郵電出版社.1945.8 [6] 李蓉. 濾波器的設(shè)計(jì)和仿真[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社.2008 [7] 周西朗.微波技術(shù)和天線.西安：西安電子科技大學(xué)出版社.2007.5 [8] 陳鋮穎.基于 ADS 軟件的射頻電路設(shè)計(jì).北京：北京郵電出版社 2013（11） [9] 吳晥春.當(dāng)代微波器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[D] .北京.北京郵電出版社.2010.6 學(xué)生 __________ 指導(dǎo)教師 __________ 系主任 ___________ 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) I 摘 要 近年來隨著無線通信的迅速發(fā)展，以無線電波為載體的移動(dòng)通信、無線局 域網(wǎng)等為代表的現(xiàn)代通信網(wǎng)成為了支撐現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之一，功率放大器 作為射頻發(fā)送機(jī)前端最為重要的電路部分，在很大程度上決定了發(fā)送機(jī)整體性 能，其設(shè)計(jì)的好壞影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。例如，其輸出功率決定無線信號(hào)通 信距離的長(zhǎng)短，其效率決定無線通信設(shè)備電池使用時(shí)間等。 本文通過運(yùn)用ADS2009仿真軟件，詳細(xì)的介紹了設(shè)計(jì)放大器的過程，最終 設(shè)計(jì)出了一個(gè)AB類射頻功率放大器。本文主要內(nèi)容如下： 1.介紹了射頻放大電路的一些基本理論，了解了一些射頻電路的知識(shí)，另 外介紹了一些射頻電路中常見的指標(biāo)，比如S參數(shù)，穩(wěn)定性，史密斯圓圖，傳輸 線理論等。 2.分析了功率放大器的基本原理，介紹了功率放大器的設(shè)計(jì)過程中需要哪 些指標(biāo)，對(duì)它們進(jìn)行了解釋說明，另外給出了放大器的各種分類。 3. 系統(tǒng)的介紹了如何設(shè)計(jì)一個(gè)有具體指標(biāo)要求的AB類功率放器，通過利用 ADS2009完成了功率放大器設(shè)計(jì)過程中一系列的操作，采用負(fù)載牽引法等多種 措施完成了設(shè)計(jì)要求，然后對(duì)放大電路中的多個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行了仿真參數(shù)的優(yōu) 化，最終完成達(dá)到預(yù)先的設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞：功率放大器，晶體管，負(fù)載牽引法 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) II ABSTRACT In recent years, with the rapid development of wireless communication, radio waves as the carrier of mobile communications, wireless local area network as the representative of modern communication network has become one of the modern economy, infrastructure support, as the RF transmitter power amplifier front end of the most important circuit part, to a large extent determine the overall transmitter performance, the design quality affects the performance of the whole system. For example, determine the length of the output power of the wireless signal communication distance, which determines the efficiency of the wireless communication device battery life time. With the help of the powerful ADS simulation software for transistor modeling, on this basis for the stability of the transistor was analyzed, using the load-pull method combined with the Smith chart for input and output impedance matching circuit simulation optimization design . The main contributions are as follows: 1. RF amplifier circuit introduces some basic theory, from the physical structure of the power amplifier analyzes the causes of the RF power amplifier nonlinear characteristic generated and its impact on the communication system, and introduces the Smith chart, stable circuit technology. 2. The basic principle of the power amplifier, power amplifier understanding of classification, introduced the technical specifications of the RF power amplifier. 3. RF power amplifier gives the detailed design process, the use of ADS simulation software, to complete a variety of measures to complete power amplifier design process, the application of load-pull method or the like to complete the design requirements, a plurality of amplifier circuit performance simulation optimization . KEY WORDS：power amplifier，transistor，load-pull method 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) III 目 錄 第一章 前言 1 1.1 課題研究的目的及其意義 1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究 現(xiàn)狀 2 1.3 本文主要工作和內(nèi)容安排 3 第二章 射頻放大電路設(shè)計(jì)的基本理論 4 2.1 射頻電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 4 2.2 器件模型 4 2.2.1 非線性雙極型器件模型 5 2.2.2 非線性場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件模型 6 2.3 傳輸線理 論 6 2.4 史密斯圓圖 8 2.5 S 參數(shù) .9 2.6 穩(wěn)定性 10 第三章 功率放大器的基本原理和參數(shù) 12 3.1 功率放大器基 本原理 12 3.2 功率放大器 的性能參數(shù) 14 3.2.1 輸出功率 .15 3.2.2 功率增益 .15 3.2.3 效率 .16 3.2.4 線性度 .16 第四章 射頻功率放大 器的仿真設(shè)計(jì)與分析 19 4.1 射頻功率放大器的設(shè)計(jì)概述 19 4.1.1 功率放大器的設(shè)計(jì)步驟 19 4.1.2 功率放大器 的指標(biāo) 19 4.2 射頻功率放大器仿真設(shè)計(jì)軟件的介紹 19 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) IV 4.3 射頻功率放大器的仿真 20 4.3.1 靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇 20 4.3.2 偏置及穩(wěn)定性 分析 22 4.3.3 輸入輸出匹 配 23 4.3.4 諧波平衡仿 真 .26 4.3.5 電路優(yōu)化設(shè)計(jì) .28 第五章 全文總 結(jié) 31 參考 文獻(xiàn) 32 致 謝 33 畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié) 34 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 1 第一章 前言 1.1 課題研究的目的及其意義 信息交流是人類社會(huì)的重要基礎(chǔ)，人和人之間不斷的需要通信，人類社會(huì) 的進(jìn)步和通信的發(fā)展有著密切的關(guān)系。特別是進(jìn)入21世紀(jì)，以無線電波為載體 的移動(dòng)通信、無線局域網(wǎng)等為代表的現(xiàn)代通信網(wǎng)呈爆炸式發(fā)展，發(fā)展極其迅速。 因此，作為無線通信核心的射頻（Radio-Frequency）電路設(shè)計(jì)自然而然成了工 程師和科研工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。 通信業(yè)正在用驚人的速度飛速發(fā)展，潛移默化的影響著人們的通信交流的 方式。如今社會(huì)進(jìn)入到了飛速發(fā)展的信息時(shí)代，很大程度上改變了人們的工作、 學(xué)習(xí)方式，當(dāng)今人們已經(jīng)不能離開對(duì)信息的需求，人們對(duì)信息所追求的目的是 能迅捷的和通信對(duì)象進(jìn)行交流。近年來無線通信系統(tǒng)經(jīng)歷了一場(chǎng)快速而又激烈 的技術(shù)變革,因此導(dǎo)致其軟件到硬件都要變革。功率放大器作為重要的硬件模塊, 其很多特性指標(biāo)如功率輸出、線性度、可靠性等對(duì)無線通信很重要,因此也在不 斷變革。當(dāng)今通信的特征有多載波、大容量、多電平和較高的峰均比等，所以 應(yīng)該用更高的要求來設(shè)計(jì)功率放大器。 放大器很大程度上明確了發(fā)送機(jī)的整體性能。它在無線通信中扮演著重要 的角色。該部件不但占據(jù)了設(shè)備的大部分體積，同時(shí)也是設(shè)備中的主要能量消 耗部件，還占有相當(dāng)部分的設(shè)備成本。因此，研究出高性能的射頻功率放大器 是十分必要的。 在一個(gè)無線通信系統(tǒng)中，只有前端的一小部分電路工作在射頻頻段，即就 是通常所說的射頻前端電路，其余的電路都是進(jìn)行低頻的基帶模擬和數(shù)字信號(hào) 處理。通常射頻前端電路會(huì)包括射頻功率放大器等電路。盡管這部分電路的器 件數(shù)量比基帶電路少得多，但仍然是整個(gè)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵所在，每一步都顯得 極其重要，每一步都應(yīng)該非常仔細(xì)。 設(shè)計(jì)射頻電路是一個(gè)極其漫長(zhǎng)的過程，在設(shè)計(jì)過程中往往會(huì)受到各種因素 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 2 的影響，比如伴隨功率放大器工作頻率的升高，我們需要預(yù)估功率放大器電性 能，另外因?yàn)榇笮盘?hào)模型的缺乏，使得功率放大器的分析和設(shè)計(jì)也會(huì)變得非常 復(fù)雜。因此選擇一個(gè)合適的仿真軟件對(duì)器件進(jìn)行仿真將會(huì)相當(dāng)重要。在本文中 將選用由美國(guó) Agilent 公司推出的 ADS 軟件進(jìn)行電路仿真，通過 ADS 軟件可以 減少人們的計(jì)算量，節(jié)省人力物力，提高了設(shè)計(jì)電路的速度。ADS 軟件是一款 如今發(fā)展非常成熟的軟件，得到了大家的充分認(rèn)可。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著世界的進(jìn)步，無線射頻微波通信技術(shù)的產(chǎn)生對(duì)通信技術(shù)的發(fā)展起到了 重要的作用。射頻功率放大器相對(duì)其他器件有著非常多的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用日常 生活和工作之中。影響著我們每一個(gè)人的生活，當(dāng)今社會(huì)的快速發(fā)展要求射頻 電路也要與時(shí)俱進(jìn)，隨著新技術(shù)的不斷完善，對(duì)射頻功率放大器我們也要求其 必須有著更好的有效性與可靠性。同時(shí)由于時(shí)間變化，信號(hào)幅度也在產(chǎn)生很大 的變化，所以射頻功率放大器應(yīng)當(dāng)有著良好的線性度才可以；為了降低移動(dòng)通 信的成本，便于熱控制，所以效率也應(yīng)當(dāng)提高；另外在 3G 移動(dòng)通信系統(tǒng)中， 數(shù)據(jù)的傳輸速率應(yīng)當(dāng)要達(dá)到 3Mbit/s，每個(gè)單獨(dú)的信號(hào)帶寬應(yīng)該達(dá)到 6MHz，這 樣就需要其應(yīng)當(dāng)具有寬帶特性；以上這么多問題，都是我們需要對(duì)未來射頻功 率放大器的提高，只有這樣才能跟得上時(shí)代的進(jìn)步。 在設(shè)計(jì)放大器的過程中，我們需要進(jìn)行穩(wěn)定性分析，選擇合適的晶體管類 型，目前，針對(duì)第三代通信系統(tǒng)開發(fā)的放大器廠家主要有飛思卡爾、菲利浦和 ADI 等。在設(shè)計(jì)的過程中，要考慮到器件的各個(gè)參數(shù)性能，從而便于我們使用 更好的偏置電路。 1.3 本文主要工作和內(nèi)容安排 本文通過對(duì)射頻電路和射頻電路相關(guān)指標(biāo)的介紹，以及功率放大器的分類 和各個(gè)參數(shù)分析。對(duì)放大器進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究，，說明了整個(gè)設(shè)計(jì)過程， 最后根據(jù)要求的指標(biāo)設(shè)計(jì)出了具有高線性度的AB 類射頻功率放大器。 第一章是文章的前言部分，簡(jiǎn)明扼要的介紹了所選課題的目的，并給出了 放大器當(dāng)前在國(guó)內(nèi)和國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀，給大家一個(gè)對(duì)于功率放大器的初步認(rèn)識(shí)。 第二章系統(tǒng)的介紹了射頻電路基本理論，通過了解射頻電路理論，掌握相 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 3 關(guān)電路知識(shí)，同時(shí)介紹了射頻電路中常見的參數(shù)。 第三章給出了射頻功率放大器的基本原理，對(duì)研究中使用的仿真軟件ADS 做了簡(jiǎn)單介紹。 第四章是設(shè)計(jì)功率放大器的具體流程，給出了每一步的設(shè)計(jì)步驟，同時(shí)給 出了電路圖以及仿真優(yōu)化結(jié)果 第五章是全文總結(jié)，總結(jié)了設(shè)計(jì)功率放大器研究過程中所遇到的問題，以 及對(duì)本次設(shè)計(jì)自己的一些見解與看法。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 4 第二章 射頻放大電路設(shè)計(jì)的基本理論 2.1 射頻電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 在一個(gè)無線通信系統(tǒng)中，只有前端的一小部分電路工作在射頻頻段，其余 的電路都是進(jìn)行低頻的基帶模擬。一般而言，射頻前端電路包括射頻功率放大 器等電路。盡管這部分電路的器件數(shù)量比基帶電路少很多，但是仍然是整個(gè)無 線通信系統(tǒng)成敗的重要因素。 射頻電路設(shè)計(jì)要求電路設(shè)計(jì)要求電路設(shè)計(jì)者掌握多學(xué)科領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)。 比如通信原理、微波原理、集成電路設(shè)計(jì)等，這些學(xué)科的知識(shí)在一定程度上互 不關(guān)聯(lián)，但從射頻系統(tǒng)的宏觀層面上又緊密地聯(lián)系在一起；通信原理為系統(tǒng)構(gòu) 架了基本的調(diào)制、解調(diào)和基帶數(shù)字信號(hào)處理方案接收、發(fā)送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃了 接收機(jī)、發(fā)送機(jī)的結(jié)構(gòu)，集成電路設(shè)計(jì)理論實(shí)現(xiàn)了射頻系統(tǒng)所需要的每一個(gè)芯 片，因此隨著射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)向著更高的集成度、更低成本、更先進(jìn)的解決方案 方向發(fā)展，射頻工程師所要準(zhǔn)備的知識(shí)量大大增加。 與模擬集成電路設(shè)計(jì)的八邊形法則類似，射頻電路設(shè)計(jì)需要在較寬的動(dòng)態(tài) 范圍和較高的頻率下進(jìn)行模擬信號(hào)處理，因此射頻電路設(shè)計(jì)也有著自身的六邊 形法則。 除了基站、手機(jī)這些人們?cè)缫咽熘耐ㄐ女a(chǎn)品之外，射頻電路技術(shù)還不停 地?cái)U(kuò)展新的消費(fèi)和工業(yè)領(lǐng)域，比如：無線局域網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)、射頻標(biāo)簽、 物聯(lián)網(wǎng)等。 2.2 器件模型 在常見的設(shè)計(jì)中，往往需要用到低噪聲放大器，射頻功率放大器以及有源 混頻器等器件。 多年來，已經(jīng)出現(xiàn)了許多有源器件的模型。從信號(hào)大小上可分為大信號(hào)模 型和小信號(hào)模型。場(chǎng)效應(yīng)晶體管模型中的射頻模型又分為JFET的大(小)信號(hào)模 型、MOSFET大( 小)信號(hào)模型、GaAs MESFET大(小)信號(hào)模型等。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 5 2.2.1 非線性雙極型器件模型 因?yàn)殡p極型晶體管可被考慮為相互作用的 PN 結(jié)對(duì)，模擬它的非線性特性 的途徑與模擬二極管模型是相同的。被定義為: (2-1)?? ??????????????TbcTπsatce VexpI= 式中， 是雙極晶體管飽和電流， 是熱電壓，由下式計(jì)算sat T (2-2)qk=VT 上式中，q 表示電荷， T 為絕對(duì)溫度，單位是開爾文，k 代表玻爾茲曼常 數(shù)。 圖 2-1 大信號(hào) Ebers-Moll 模型 2.2.2 非線性場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件模型 在信號(hào)與系統(tǒng)的概念中，如果一個(gè)系統(tǒng)的輸出可以表示為每個(gè)輸入所對(duì)應(yīng) 輸出的線性疊加，那么我們稱這個(gè)系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，即對(duì)于輸入 和 ，）t（x1）（ 2 有其對(duì)應(yīng)的輸出 和 ，且可以表示為 和）t（y1）（ 2 ）（y）t（x11? 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 6 ，那么對(duì)應(yīng)任意常熟 a，b 有：）t（y）（x22? （2-）t（by）（）t（x）（a2121 ??? 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?源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)。 2.3 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(zhǎng)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(zhǎng)度和波長(zhǎng)可比，導(dǎo)線長(zhǎng)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(zhǎng)會(huì)不斷減小， 當(dāng)波長(zhǎng)可與電路的幾何長(zhǎng)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。封裝引線兩端電壓電流由于所謂的長(zhǎng)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 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 7 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慕饘俦觼韨鬏敚瑫r(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) TEM 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)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： （2-t/），z（i）t，z（i/）t，z（v- ??????LR 4） （2-），（v），（Gv），（iC 5） 傳輸線方程即就是公式 2-4 和 2-5。傳輸線正弦信號(hào)源的一個(gè)源端接角頻率 為 ω，傳輸線上 V 和 I 的可表示如下： （2-??jwteV(z)Rtv(z,? 6） （2-jwtIi 7） 于是即可得傳輸線方程： （2-IRV）jwL（dz/-?? 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 8 8） （2-VCGI）jw（dz/-?? 9） 上式中， 是單位長(zhǎng)度的串聯(lián)阻抗， 是傳輸線單位jwL+R=Z jwC+G=Y 長(zhǎng)度的并聯(lián)導(dǎo)納。 2.4 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) 、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 、相移常數(shù) 和長(zhǎng)度0? 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?jiǎn)單，方便和直觀等特點(diǎn)，這 么多年就一直保留了下來。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(zhǎng)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 為 。電長(zhǎng)度歸一化不僅包含0Z?5 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 0 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： （2-???j）2-（jz2-j ee）（ i????? 10） 其中， 的周期是 。??/1 （3）將阻抗、駐波比關(guān)系嵌套在 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) ，把 歸于 相位；工作參數(shù) 為基底，同時(shí)包含0Z?? 了 Z 和 VSWR。 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 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 9 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?？梢岳盟鼇硗瓿芍T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。 2.5 S 參數(shù) 射頻放大電路中，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 ， 為端口 1 的反射波， 為端1ab2a 口 2 的入射波， 為端口 2 的反射波。2b 圖2-2 二端口網(wǎng)絡(luò) 圖2-3 S參數(shù)模型 圖 2-3 為 S 參數(shù)模型。S 參數(shù)定義為： 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 10 （2-端 口 入 射 波1端 口 反 射 波ab012?S 11） （2-端 口 入 射 波1端 口 反 射 波ab012?S 12） （2-端 口 入 射 波2端 口 反 射 波ab021?S 13） （2-14端 口 入 射 波2端 口 反 射 波ab021?S ） 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1S 1 的電壓反射系數(shù)； 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21S 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12 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； 是端口 1 匹配時(shí)端口 2 的電壓反射系數(shù)。2S 2.6 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)。 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: （2-21 21-SK??? 15） 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 11 （2-???-122SB 16） （2-2122 17） 其中， 2121-SS??? 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。StabMeasl 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 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 12 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 13 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。 3.1 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 3-1，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%。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 14 圖3-1 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 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 15 （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 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 180°～360° 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。 3.2 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、效率和線性度等，線性度又包括增益壓縮，諧波失 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 16 真等，每一個(gè)參數(shù)都決定了最終系統(tǒng)的好壞。 3.2.1 輸出功率 輸出功率( 或 )是反映功率放大器對(duì)外輸出能力的指標(biāo)，通常有最大 OUTPL (飽和)輸出功率 ( )和 1dB 壓縮點(diǎn)輸出功率( )兩種。根據(jù)功率傳輸特征可SA BPd1 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 1dBm，該輸出功率就被叫做 1dB 壓縮點(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( )或飽和輸出功率，它是射頻功率放大器的一個(gè)非常SATP 重要的指標(biāo)。常見的功率的表示單位有瓦(W)、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。 3.2.2 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： （3-inoutaPG? 1） 功率增益的單位是 dB，另外一種表示方法是對(duì)數(shù)表示，3-2 所示 （3-）dBm（-）（）dB（aininoutPG? 2） 國(guó)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， 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 17 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 10dBm 的功率，那么這個(gè)功 率放大器也只能有 10dBm 的功率增益才行。 3.2.3 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： （3-）cos-in（42max??? 3） 式中，2 是功率放大器一個(gè) 2 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%,同理 B 類為 78.5%，C 類為 100%。在 A 類到 C 類功率放大器的過程中，它們的效率從 0.5 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： （3-?cos-12inmax?P 4） 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： （3-toal，dcinu-PAE? 5） 3.2.4 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)幅度在某一范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出信號(hào)的幅度與輸 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 18 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 1dB 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 1dB 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) 和 ，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1f2 分量，如圖 3-4 所示。 （m 、n=0 、1、2……） 21nfm? （3-6） 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： 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 19 （3-）dBc（log10inmnmPM??? 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 后的取值，即： （3-12f-1f3PIMD? 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(zhǎng)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 1dB 壓縮點(diǎn)的功率要高 10dBm。 （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(zhǎng)度。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 20 第四章 射頻功率放大器的仿真設(shè)計(jì)與分析 4.1 射頻功率放大器的設(shè)計(jì)概述 4.1.1 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(kù)。 （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。 4.1.2 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：900MHz。 1dB 壓縮點(diǎn)輸出功率：35dBm。 增益： 20dB。 確定設(shè)計(jì)指標(biāo)后，就可以進(jìn)行功率放大器的設(shè)計(jì)和仿真了。 4.2 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(guó)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?樣性，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 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 21 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(jiǎn)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 4.3 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。我選擇了飛思卡爾公司的 LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)功率管 MW6S010N，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。 4.3.1 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(kù)，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。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 22 Source Drain Gate FET Curve Tracer Set drain and gate voltagesweep limits as needed. DisplayTemplatedisptemp1 “FET_curve_tracer“ TempDisp DCDC1 Step=0.6Stop=30 Start=0SweepVar=“VDS“ DC FSL_MW6S010N_TECH_INCLUDEFSL_MW6S010N_TECH_INCLUDE FSL_TECH_INCLUDE VARVAR1 VGS =0 VVDS =0 V EqnVar ParamSweepSweep1 Step=Stop=5 Start=0SimInstanceName[6]= SimInstanceName[5]=SimInstanceName[4]= SimInstanceName[3]=SimInstanceName[2]= SimInstanceName[1]=“DC1“SweepVar=“VGS“ PARAMETER SWEEP FSL_MW6S010N_Level2_Rev2_MODELFETFSL1 CTH=-1RTH=-1 TSNK=-1 V_DCSRC1 Vdc=VDS V_DCSRC2 Vdc=VGS I_ProbeIDS 圖4-1 直流掃描電路 仿真結(jié)果為： 圖4-2 MW6S010N晶體管的I-V曲線圖表 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 23 根據(jù)MW6S010N的數(shù)據(jù)表，漏極直流電壓為3V，作為AB 類的功率放大器， 因此選擇 V，靜態(tài)工作電流為 A。和數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)相比，2?GS 476.1?DSI 電流取的相對(duì)比較大，這是為了可以獲得更好的線性度。 4.3.2 偏置及穩(wěn)定性分析 用軟件找出 MW6S010N 的偏置電路模型，從 ADS 軟件元件面板中調(diào)出 MW6S010N 以及飛思卡爾識(shí)別控件，添加了元件之后的原理圖如圖 4-3 所示， 圖4-4 穩(wěn)定性掃描原理圖 然后仿真，如圖4-5所示： 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 24 圖4-5 穩(wěn)定因子隨頻率變化曲線 可看到在900MHz時(shí)，StabFact1 ，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。 4.3.3 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)載牽引法設(shè)計(jì)輸入輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。 4.3.3.1 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(jiǎn)單介紹負(fù)載線與共軛匹配的區(qū)別。當(dāng)不考 慮信號(hào)源的物理限制時(shí)，共軛匹配確實(shí)是可以使負(fù)載上得到最大功率，我們可 以通過共軛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 和最大輸出電流 。maxVmaxI 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??；另外一種情況，當(dāng)信號(hào)源的輸出電壓受到一定的限制 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 25 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。 4.3.3.2 負(fù)載牽引設(shè)計(jì) Load-Pull 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： 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 26 圖4-7 Load-pull仿真 圖4-8 Source-pull仿真 從仿真結(jié)果中可以看出，功率圓和效率圓都沒有完全顯示，這就需要在仿 真前調(diào)整Loadpull 掃描點(diǎn)范圍，Loadpull 掃描參數(shù)確定后再重新仿真。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 27 圖4-9 待匹配電路圖 阻抗匹配電路決定了功率放大器輸出至負(fù)載的最大功率，是射頻功率放大 器電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，根據(jù)前面的電路圖組成待匹配的電路圖，如圖 4-9所示，輸入和輸出匹配完成之后即可對(duì)各項(xiàng)電路參數(shù)進(jìn)行掃描。 4.3.4 諧波平衡仿真 完成所有原理圖電路后，就可以對(duì)它性能參數(shù)仿真了，我們采用諧波平衡 法仿真，插入諧波平衡仿真模板，對(duì)HB仿真控制器對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，在 Sweep欄 中的Parameter to sweep處填入RFpower，掃描范圍為0～30dBm，步長(zhǎng)為0.2dB。 如圖4-10 ： 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 28 圖4-10 HB仿真電路原理圖 通過對(duì)HB仿真電路圖的仿真，我們可以得到功率放大器的各個(gè)參數(shù)曲線， 對(duì)該電路圖進(jìn)行仿真： 圖4-11 輸出功率仿真曲線 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 29 圖4-12 增益壓縮仿真曲線 從上面的仿真圖可以看出來，在輸入功率為30dBm時(shí)，功率放大器的輸出 功率、1dB 壓縮點(diǎn)、附加效率均不符合要求，增益也嚴(yán)重偏低。因此，必須對(duì) 電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到要求。 4.3.5 電路優(yōu)化設(shè)計(jì) 將匹配電路通過 ADS2009 軟件進(jìn)行仿真，我們可以用微帶線匹配方式以及 LC 元件連接電路兩種電路匹配方式。此次我們?cè)O(shè)計(jì)此 AB 類功率放大器所使用 的是 LC 元件連接電路的匹配方式來進(jìn)行此次設(shè)計(jì)。 在原理圖窗口選擇一個(gè)優(yōu)化控制器插入原理圖中，此例中我們主要對(duì) 進(jìn)21S 行一下優(yōu)化，將輸入匹配的電感和電容分別改為變量值L1和C1 作為優(yōu)化對(duì)象， 在原理圖中加入一個(gè)變量控制器，完成設(shè)置后進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后自動(dòng)彈出 優(yōu)化后的仿真結(jié)果，如圖4-13所示， 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 30 圖4-13 優(yōu)化后的仿真結(jié)果21S 可以看到功率放大器在900MHz時(shí)，增益為22.180dB ，達(dá)到了我們預(yù)先的要 求。 在原理圖工具欄中將仿真控件和目標(biāo)全部失效，重新進(jìn)行掃描即可得到此 時(shí)的S參數(shù)及諧波掃描結(jié)果，如下圖所示。 圖4-14 輸出功率仿真曲線 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 31 圖4-15 增益壓縮仿真曲線 在上圖中的功率放大器最終仿真結(jié)果中，我們可以看到此功率放大器在 900MHz時(shí)輸出最大功率譜信號(hào)，1dB點(diǎn)輸出功率達(dá)到 37.500dBm，增益 22.180dB，完全符合我們之前的要求，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 32 第五章 全文總結(jié) 因?yàn)楫?dāng)今通信的飛速發(fā)展，發(fā)射機(jī)重要部件之一的功率放大器，其影響越 來越明顯，設(shè)計(jì)一個(gè)性能指標(biāo)都完美的放大器有著重要的作用，本文當(dāng)中首先 介紹了一些射頻電路中的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，然后介紹了功率放大器的類型以及指標(biāo) 參數(shù)，最后通過 ADS2009 仿真軟件對(duì)功率放大器進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，共軛匹配 與負(fù)載線匹配，輸入、輸出阻抗匹配，S 參數(shù)以及諧波平衡仿真等，最終成功 設(shè)計(jì)出了一個(gè)滿足事先指標(biāo)的 AB 類射頻功率放大器。 在功率放大器的設(shè)計(jì)中，晶體管的選擇至關(guān)重要，只有對(duì)晶體管選擇合適 的直流點(diǎn)，才能在后續(xù)的設(shè)計(jì)中大到較好的增益和線性度指標(biāo)。此外，穩(wěn)定性 設(shè)計(jì)和阻抗匹配決定了功率放大器在系統(tǒng)中所能進(jìn)行的工作狀態(tài)，這些都是設(shè) 計(jì)功率放大器的重點(diǎn)，每一步都應(yīng)當(dāng)按照相應(yīng)的要求完成才行。 總之，基于 ADS2009 分析并設(shè)計(jì)功