基於Ansoft Designer的射頻功放電路阻抗匹配優化

2021-01-03 電子產品世界

針對工作頻率為433MHz的射頻功率放大電路中的阻抗匹配問題，提出了基於EDA軟體——Ansoft designer的阻抗匹配優化設計方法。運用Ansoft designer對射頻功放電路進行了阻抗匹配優化設計，並對電路進行了仿真分析。仿真結果表明射頻功放電路的增益得到了明顯的提高，反射係數得到了顯著的改善，達到了阻抗匹配優化設計的目的。
　　關鍵詞: Ansoft Designer； 射頻功率放大電路； 微帶傳輸線； 阻抗匹配網絡； 計算機仿真

　　近年來，無線通信的蓬勃發展，極大地推動了射頻集成電路的設計與研究。在處理射頻電路的實際設計問題時，總會遇到一些非常困難的工作，電路的阻抗匹配就是其中之一。目前阻抗匹配的設計方法主要有：
　　(1) 手工計算：這是一種極其繁瑣的方法，因為需要用到較長（幾千米）的計算公式，而且被處理的數據多為複數。
　　(2) 經驗：只有在RF領域工作多年的工程技術人員才能使用這種方法。總而言之，它只適合於資深專家。
　　(3) EDA軟體：由於傳統的試驗加調試的方法進行阻抗匹配不僅成本高、周期長，而且有很多不確定的因素，不能滿足現代設計的要求。而選用EDA軟體進行射頻電路阻抗匹配設計雖然不能代替真正的實驗，但它能夠在射頻電路的阻抗匹配設計中起到很好的指導作用，為射頻集成電路的設計帶來巨大的便利。
　　本文將採用EDA軟體Ansoft designer解決工作頻率為433MHz的射頻功放電路的阻抗匹配問題，使得電路的增益和反射係數得到明顯改善，並且電路的輸入輸出網絡部分獲得良好的阻抗匹配特性。在整個設計過程中射頻電路的設計過程得到簡化，設計成本明顯降低，設計周期大大縮短。
1 射頻功放電路原理
　　射頻功率放大電路的原理圖如圖1所示，工作頻率為433MHz，以功放集成晶片RF5110G為主晶片，RF5110G集成了三級放大器。圖1中，與VCC1(1)、VCC(14)和RF OUT(9、10、11、12)連接的電容、電感主要對電源進行濾波。第一級和第二級放大器的關斷由與VAPC1(16)連接的電容控制，第三級放大器的關斷由與VAPC(15)連接的電容控制。輸入和輸出阻抗匹配網絡是需要設計的部分。如何確定阻抗匹配網絡中的微帶傳輸線和元件的類型、參數以及連接關係，是射頻功放阻抗匹配優化設計的關鍵。

2 射頻功放電路阻抗匹配優化設計
　　射頻功放阻抗匹配優化設計主要包括：50Ω微帶傳輸線的選型及相關參數的確定；輸入輸出阻抗匹配網絡中元件的類型、參數以及連接關係。
2.1 微帶傳輸線的優化設計
　　微帶傳輸線的優化設計需要使用Ansoft designer中的微帶傳輸線分析合成工具來完成。在設計時，考慮到頂層的微帶線兩側有接地的銅線，它們會影響傳輸線阻抗的阻抗值，所以應選用G_CPW型傳輸線,這裡選用FR4作為制板材料，介質為覆銅，厚度d=0.8mm，εr=4.3，Z0=50Ω,槽縫的寬度G=1mm。運用微帶傳輸線分析合成工具軟體分析50Ω的微帶傳輸線，當工作頻率為433MHz時，計算得到微帶傳輸線的寬度W≈1.48mm，如圖2所示。

2.2 輸入輸出阻抗匹配網絡的優化設計
　　在進行輸入輸出阻抗匹配網絡的優化設計之前，首先要建立主晶片RF5110G的網絡模型。用網絡模型分析電路可以避開電路的複雜性和非線性，簡化網絡輸入、輸出特性的關係，其中最重要的是不必了解系統的內部結構就可以通過實驗確定網絡輸入、輸出參數，即「黑盒子」 方法。將RF5110G用一個二埠網絡表示，完成RF5110G的建模後，使用Ansoft designer中的Smith圓圖來對輸入輸出阻抗匹配網絡進行優化設計。Smith阻抗匹配優化設計分析圖如圖3所示。由3圖分別得到：輸入阻抗匹配電路由11.37nH(實際設計取12nH)的電感和電長度為5.3°(≈10.6mm)的50Ω微帶傳輸線串聯組成。
　　
　　輸出阻抗匹配電路由15.05pF（實際設計取15pF）的電容和電長度為13°(≈26mm)的50Ω微帶傳輸線並聯組成。
　　
3 仿真分析
　　用Ansoft designer軟體分別對完成阻抗匹配優化設計之前、之後的射頻功放電路進行模擬分析。圖4(a)、(b)分別給出了電路S參數的仿真結果：S參數隨頻率增加的變化趨勢。由圖4可知，在433MHz處，射頻功放電路完成阻抗匹配優化設計之前的S11、S21、S22分別為-10.21dB、23.11dB、-2.78dB，完成阻抗匹配優化設計之後的S11、S21、S22分別為-30.96dB、26.8dB、-27.27dB，增益比阻抗匹配前增加了3.7dB,輸入、輸出端的反射係數分別下降了20.75dB、24.49dB，性能明顯優於阻抗匹配前，說明該射頻功放電路的輸入輸出匹配良好，反向隔離特性也良好。


　　本文應用EDA軟體——Ansoft designer對射頻功放
　　電路進行了阻抗匹配的設計。阻抗匹配完成後，電路仿真結果表明，射頻功放電路的增益得到了明顯的提高，反射係數得到了顯著的改善，達到了阻抗匹配優化設計的目的。
　　與其他的阻抗匹配設計方法相比較，基於EDA的阻抗匹配設計方法，大大降低了生產成本，縮短了設計周期，在射頻電路設計方面具有巨大的潛力。


參考文獻
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