射頻放大電路的優化及仿真

　　1 引 言

　　在無線通信飛速發展的今天，射頻設計具有舉足輕重的作用，而放大電路是幾乎所有無線通信系統的必備環節。由於工作頻率的日益提高，模擬和數字電路設計工程師們正在不斷地開發和改進電路，用於無線通信的模擬電路是在GHz波段，高性能的計算機、工作站以及PC機所用電路的時鐘頻率不斷地增加，全球定位系統載波頻率在1 227.60 MHz和1 575.42 MHz範圍，個人通信系統中用的低噪聲放大器工作在1.9 GHz，並可安裝在比硬幣還小的電路板上，在C波段的衛星廣播包括4 GHz上行和6 GHz下行系統。隨著無線通信的快速發展，更緊湊的放大器、濾波器、振蕩器和混頻器電路正被設計出來並交付使用。通常這些電路的工作頻率高於1 GHz。這個設計過程不僅要有獨特性能的技術裝置，而且要專門設計解決在常用的低頻系統中沒有遇到過的問題。

　　「放大」是無線通信系統中發射機、接收機中普遍存在並且發揮重要作用的一個環節。下面將以實際的1900 MHz放大電路(AMP1900)為例，對其進行多方面的仿真，並加入匹配網絡進行優化，從而得到改善的射頻放大電路。

　　2 交流仿真、S參數仿真和調諧

　　仿真是完成射頻設計的一個有力手段，按照最優化的電路圖製作實際電路，顯然是最高效的。首先給出放大電路AMP1900中用到的子電路BJTpkg：

　　

　　該電路為考慮寄生參量的放大器子電路，beta為他的一個參數，在上層電路中，默認beta值為160。預置電壓Vaf為50，E.B漏電流Isc為0.02e-12;埠B、C、E分別標識為Num2，1，3;C1，C2均為120 fF;L1，L2，L3均為320 pH，其中L1阻值0.01 Ω;BJT1即採用BJTM1模型。

　　在上述子電路基礎上建立1.9 GHz初始放大電路(加入匹配網絡前)如圖2所示。

　　

　　其中：仿真頻段為100 MHz～4 GHz，步長10 MHz;SRC2中設置電壓為5 V;終端Term1，Term2分別標識為Num1和Num2，阻抗均為50 Ω;Q1中beta值採用默認的160;DC_Block1，DC_Block2電容值為10 pF;DCFeed1，DC_Feed2均為120 nH;Rb，Rc阻值分別為56 kΩ和590 Ω。

　　運行電路仿真，對傳輸參數和反射參數數據繪圖並做標記如圖3所示，從圖中可以看出，增益曲線比較平坦，洩漏也適當，但阻抗並未匹配。

　　

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　　利用ADS調諧功能，加入匹配元件L和C並多次改變參數值，得到輸入及輸出端匹配網絡的電路如圖4所示，電路性能在圖 5中給出。

　　

　　考察圖3中的S11數據，並聯一個電容C將把標記點朝50Ω恆定電阻圓圖靠近，一個串聯電感可使其沿50 Ω圓朝Smith chart圓心移動。選擇的L，C值要使電路無損耗地通過1 900 MHz。

　　3 最優化處理

　　通過在原理圖中引入最優化控制器和優化目標，可以得到最優化的匹配網絡。這裡優化目標設置S11最大值為-10 dB，頻率範圍1 850～1950 MHz，對於S22進行類似設置。啟動元件最優化處理，設置L優化範圍是1～40 nH，C優化範圍為0.01～1 pF。優化處理完成後匹配網絡的元件參數值被自動替換為最優值，為電感添加電阻。最終得到放大電路如圖6所示。

　　

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　　圖6中元件參數設置：仿真頻段100 MHz～4 GHz，步長10 MHz;SRC2中設置電壓為5 V;終端Terml，R1分別標識為Num1和Num2，阻抗均為50 Ω;Q1中beta值採用默認的160;DC_Block1，DC_Block2電容值為10 pF;DC_Feed1，DC_Feed2均為120 nH;Rb，Rc阻值分別為56 kΩ和590 Ω。匹配網絡中，L_match_in為18.3 nH&12 Ω，C_match_in為0.35 pF，L_match_out為27.1 nH&6Ω，C_match_out為0.22 pF。

　　同樣對最優化電路運行S參數仿真，可以得到接近理想的電路性能如圖7所示。

　　

　　4 結 語

　　改善射頻系統的性能，必須首要改進其各個功能部件的性能指標。比較圖3和圖7可以明顯看到該放大電路性能的提升，這對於最大功率傳輸、抑制回波損耗等具有顯著的改進作用。軟體仿真是提高工作效率的一條捷徑，諸如 ADS等高頻仿真設計軟體提供了可靠的設計依據，對射頻系統設計也是必不可少的助手。按照上述優化結果製作出實際的放大電路模塊，利用矢量網絡分析儀進行測量，其S參數等各項指標均與仿真效果基本吻合。在筆者應用中，加入了該放大電路的無線通信發射機、接收機系統運行穩定，同時具有較強抗幹擾性能。