2010年1月第15卷第1期西安邮电学院学报JOURNALOFXIANUNIVERSITYOFPOSTSANDTELECOMMUNICATIONSJan.2010Vol15No1用ADS进行功率放大器仿真设计常树茂(西安邮电学院电子工程学院,710121)摘要:主要介绍了工作频率为2.4GHz的A类功放的设计方法和仿真过程,采用负载迁移法使用ADS仿真软件,获得射频功率放大器电路的输入输出最佳匹配阻抗,并对设计电路进行了稳定性分析、线性度分析、电源效率分析及对整个电路进行了优化。仿真设计出一个工作频率2.4GHz、增益9.5dB,1dB压缩点功率34dBm、2次谐波小于-50.8dBc的射频功率放大器。关键词:A类功放;负载迁移;谐波平衡;ADS中图分类号:TN830.4文献标识码:A文章编号:1007-3264(2010)01-0082-04入匹配、偏置网络、放大有源器件、输出匹配[3]。对引言功率放大器是通信、雷达、导航、识别、空间对抗、GPS、3G等各类无线系统中的重要组成部件之一。因此,对于功率放大器的研究和设计有着重要的意义。在射频电路设计中,功率放大器的设计主要需要考虑电路的匹配、稳定性和线性度等问题,并在此条件下尽量达到最大功率输出。它一般工作在大信号情况下,此时器件一般呈现出非线性特性,而厂家一般给出的是线性小信号S参数。小信号S参数在求功率放大器输入输出最佳匹配阻抗时一般不再适用。本文使用Aglient公司的ADS仿真软件,采用负载迁移方法[1],获得输入输出最佳匹配阻抗。同时使用ADS仿真还对线性度进行了谐波平衡分析,以及增益和电源效率测试[2]。设计指标要求射频功率放大器工作频率为2.4GHz、增益不低于8dB;输出功率不低于30dBm,线性度良好。为了获得很好的线性度及考虑到电源效率不是最主要问题,本文选择线性度最好的A类功放。于单级放大器,输入匹配电路的功能是实现对输入阻抗与输入信号源内阻阻抗匹配,以达到增益最大。偏置电路的功能是保证选用的晶体管工作在特定的工作点。工作点的确定是为了保证A类功放有最大的输出功率,并保证管子工作在线性放大区。输出匹配电路功能是实现输出功率最大。1.1偏置电路的设计偏置电路是给晶体管提供直流工作点的电路。根据设计要求,选用NEC公司的NE6510179大功率GaAsHJ-FET。此管适用于L和S波段[4],最大输出功率为3W,在1.9GHz增益可达到10dB,完全满足设计要求。要确定管子的直流特性,首先要对其进行直流工作点的扫描。扫描电路如图1所示,扫描结果如图2所示。为保证管子始终工作在线性放大区,由扫描结果可以选择直流工作点为VDS=5V,IDS=0.8A,VGS=-0.4V。偏置电路选用分压式自偏压电路。根据选择电路的直流工作点,使用下列公式可获得偏置电路元件参数值:R1V-IDSR3=VGSR1+R5DDIDS(R2+R3)=VDD-VDS最终设计的直流偏置电路如图3所示。1设计过程功率放大器的基本结构主要由四部分组成:输收稿日期:2009-06-01作者简介:常树茂(1957-),男,河南延津人,西安邮电学院电子工程学院教授。第1期常树茂:用ADS进行功率放大器仿真设计832.4GHz时的源阻抗ZS和负载阻抗ZL的测试。测试结果如图4所示。图1直流工作点的扫描电路图4负载迁移结果由图4可以得到,最大输出功率阻抗值为ZL=1.357-j4.901,此时输出功率为36.04dBm,电源效率29.76%。使用ADS仿真同样可以得到ZS=1331+j13915。1.3稳定性设计在确定最佳输入输出阻抗后,进行匹配之前,需要对功率放大器进行稳定性分析和设计。放大器的稳定性是放大器设计中需要考虑的非常重要的因素,它一般取决于晶体管的S参数和置端条件。功率放大器稳定性可以根据稳定因子来判定,一个管子绝对稳定的条件是:图2直流工作点的扫描结果1122K=>12|S11S12||S11|2<1-|S12S21||S22|<1-|S12S21|其中D=S11S22-S12S21K称为稳定性判别系数,K大于1才能保证放大器是绝对稳定的。对图3所示电路进行稳定性仿真。由仿真结果得到在2.4GHz的稳定性系数K为0.959,即小于1。为了在一定的频率范围内达到无条件稳定,把一个50欧姆电阻和四分之一波长短路线组合的串联222图3直流偏置电路1.2负载迁移法为了向负载传送最大功率,管子两端需要使用匹配网络。而匹配阻抗不能像小信号放大器设计那样使用S参数来计算[5]。因为这些参数是在小信号条件下获得的,只适应于小信号放...
