基於ADS的功率放大器設計實例與仿真分析

2021-01-06 電子產品世界

為了使射頻功率放大器輸出一定的功率給負載，採用一種負載牽引和源牽引相結合的方法進行功率放大器的設計。通過ADS軟體對其穩定性、輸入/輸出匹配、輸出功率進行仿真，並給出清晰的設計步驟。最後結合設計方法給出一個中心頻率為2.6GHz、輸出功率為6.5W 的功率放大器的設計及優化實例和仿真結果。仿真結果表明，這種方法是可行的，滿足設計的要求，並且對功放的設計有著重要的參考價值。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/185862.htm

0 引 言

隨著無線通信技術的發展，無線通信設備的設計要求也越來越高，功率放大器作為發射機最重要的部分之一，它的性能好壞直接影響著整個通信系統的性能優劣，因此，無線系統需要設計性能良好的放大器。通過採用EDA工具軟體進行電路設計可以掌握設計電路的性能，進一步優化設計參數，以達到加速產品開發進程的目的。本文仿真設計採用恩智浦半導體的LDMOS電晶體BLF6G27-10G，該電晶體工作頻段在2 500~2 700MHz之間，直流28V供電。具有很好的線性度，它採用特殊工藝，具有良好的熱穩定度。同時使用EDA軟體，利用負載牽引和源牽引相結合的方法進行設計，使其輸出功率在頻率為2.6 GHz時達到6.5W.

1 功率放大器的相關設計理論

對於任何功率放大器，它必須在工作頻段內是穩定的，同時它應該具有最大的輸出功率和最佳的輸出效率，因為輸出功率決定了通信距離的長短，其效率決定了電池的消耗程度及使用時間。在功放的匹配網絡設計中，需要選擇合適的源阻抗和負載阻抗，而他們的選擇和功率放大器的穩定性、輸出功率、效率以及增益息息相關。

1.1 穩定準則

穩定性是指放大器抑制環境的變化(如信號頻率、穩定、源和負載等變化時)，維持正常工作特性的能力，一個微波管的絕對穩定條件是：

式中：D =S11S22-S12S21.

在選定的電晶體的工作條件下若滿足K》1，則此時放大器處在絕對穩定狀態，若不滿足此條件，則需進行穩定性匹配電路的設計。

1.2 功率增益

放大器的功率增益(Power Gain)有幾種不同的定義方式，在這裡只介紹工作功率增益，這是設計時較為關心的量，它定義為負載吸收的功率與放大器的輸入功率之比。

1.3 功率附加效率(PAE)

功率附加效率是指射頻輸出功率和輸入功率的差值與供給放大器的直流功率的比值，它既反映了直流功率轉化為射頻功率的能力，又反映了放大射頻功率的能力。

1.4 1dB功率壓縮點(P1dB)

當電晶體的輸入功率達到飽和狀態時，其增益開始下降，或者稱為壓縮。1dB壓縮點為放大器線性增益和實際的非線性增益之差為1dB的點，換句話說，它是放大器增益有1dB壓縮的輸出功率點。

2 設計步驟

2.1 靜態工作點的確定

在電晶體的Datasheet中，給出了漏極(D)的工作電壓和電流，因此，需要通過仿真和測試得到柵極(G)電壓。在ADS中導入BLF6G27-10G 的模型庫，建立直流仿真電路，圖1就是通過對電晶體BLF6G27-10G進行直流仿真所獲得的伏安特性曲線。

圖1 直流特性曲線

與BLF6G27-10G的Datasheet給出數據相比，本例所仿真出來的靜態工作點和Datasheet給出數據較接近，並且得到了柵極電壓(VGS=1.8V)，因此這樣電晶體的靜態工作點就確定了。

2.2 穩定性分析和偏置電路

要使電晶體可靠的工作，必須使電晶體在工作的頻段內穩定。這一點對於射頻功放是非常重要的，因為它可能在某些工作頻率和終端條件下有產生振蕩的傾向。

因此要對功率管BLF6G27-10G在ADS的環境中進行穩定性分析，在ADS 元件面板中調出扼流電感DC_Feed和隔直電容DC_Block，其中DC_Feed阻止高頻信號通過，而DC_Block則是阻止直流信號通過。建立穩定性分析的原理圖如圖2所示，仿真結果如圖3所示。

圖2 穩定性掃描原理圖

圖3 穩定性仿真結果

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