??? 摘 ? 要： 介紹了功率放大器的設(shè)計參數(shù)和仿真過程，提出了一種在ADS環(huán)境下仿真和設(shè)計功放的方法，通過實例給出了仿真結(jié)果，并與測試結(jié)果進行了比較。
??? 關(guān)鍵詞： 功率放大器? 設(shè)計? 仿真? 高級設(shè)計系統(tǒng)（ADS）? MRF21030
?
??? 各種無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，如GSM、WCDMA、TD-SCDMA、WiMAX和Wi-Fi，大大加速了半導(dǎo)體器件和射頻功率放大器的研究進程。射頻功率放大器在無線通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它的設(shè)計好壞影響著整個系統(tǒng)的性能，因此，無線系統(tǒng)需要設(shè)計性能良好的放大器。而且，為了適應(yīng)無線系統(tǒng)的快速發(fā)展，產(chǎn)品開發(fā)" title="產(chǎn)品開發(fā)">產(chǎn)品開發(fā)的周期也是一個重要因素。另外，在各種無線系統(tǒng)中由于不同調(diào)制類型和多載波信號的采用，射頻工程師為減小功率放大器的非線性失真，尤其是設(shè)計無線基站應(yīng)用的高功率放大器時面臨著巨大的挑戰(zhàn)。采用EDA工具軟件進行電路設(shè)計可以掌握設(shè)計電路" title="設(shè)計電路">設(shè)計電路的性能，進一步優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，同時達(dá)到加速產(chǎn)品開發(fā)進程的目的。
??? 設(shè)計功率放大器包括一系列步驟，如功率晶體管的選擇、匹配設(shè)計、偏置電路的設(shè)計和電磁兼容等問題。功率放大器的設(shè)計通常采用EDA工具軟件，如ADS、Serenade、sonnet等。許多文獻[1-2]中都有應(yīng)用EDA工具設(shè)計軟件設(shè)計有關(guān)射頻電路的實例。EDA軟件不僅能夠設(shè)計和優(yōu)化電路，而且能夠仿真已設(shè)計電路的性能。本文提出的功率放大器的仿真方法和設(shè)計步驟，能夠用于各種功率放大器的仿真與設(shè)計。本次仿真實例采用了飛思卡爾半導(dǎo)體的LDMOS晶體管MRF21030及其測試板，在ADS環(huán)境下仿真了該電路的特性，并且與測量結(jié)果進行了比較。仿真結(jié)果與測試結(jié)果的一致性說明了仿真的有效性。
1 仿真實現(xiàn)的主要功放特性
??? 當(dāng)在ADS環(huán)境下設(shè)計和仿真功率放大器電路時，需要知道將要仿真哪些主要特性，然后根據(jù)有關(guān)已推導(dǎo)的公式建立仿真變量表達(dá)式，以獲得主要仿真特性曲線并分析設(shè)計功放的性能，判斷設(shè)計電路是否滿足要求。衡量功率放大器特性有許多參數(shù)，包括輸出功率、功率增益" title="功率增益">功率增益、效率和互調(diào)" title="互調(diào)">互調(diào)失真等。在本設(shè)計中，將仿真如下特性：漏極效率、轉(zhuǎn)換功率增益、互調(diào)失真和回波損耗" title="回波損耗">回波損耗與頻率的關(guān)系；漏極效率、轉(zhuǎn)換功率增益與輸出功率之間的關(guān)系。這些特性曲線也可以從飛思卡爾提供的應(yīng)用晶體管MRF21030所設(shè)計的功放產(chǎn)品數(shù)據(jù)表中獲得。可以將仿真結(jié)果與實際測量結(jié)果進行比較，判定是否一致。下面給出了主要仿真參數(shù)的定義和計算公式[3]。
??? 轉(zhuǎn)換功率增益：負(fù)載吸收功率與源資用功率之比為：
??? 
??? 漏極效率：負(fù)載吸收功率與直流供給功率之比為：
??? 
??? 三階互調(diào)失真（IMD3）：輸出功率的三階互調(diào)分量與基波分量之比為：
??? 
??? 回波損耗（IRL）：回波損耗是反射系數(shù)的對數(shù)值。這里IRL是輸入端口的回波損耗。
??? 
2 功率放大器特性仿真的主要步驟
??? 在對功率放大器進行仿真之前，需要做一些準(zhǔn)備工作，其中包括仿真工具軟件、用于仿真的功放晶體管模型、采用的電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法等。在本仿真中，選擇了高級設(shè)計系統(tǒng)仿真軟件，該軟件在仿真射頻電路中具有非常強大的能力。用于本仿真的功放模型既可以由制造廠家提供也可以在ADS環(huán)境下根據(jù)晶體管模型參數(shù)來建立。然后，可以根據(jù)適當(dāng)?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)對功放進行設(shè)計。
??? 為了完成功放特性仿真，通常需要以下幾個步驟：
??? （1）將廠家提供的晶體管模型庫輸入到ADS模型庫中；
??? （2）根據(jù)放大器的要求和晶體管特性確定靜態(tài)工作點；
??? （3）進行功率放大器的電路設(shè)計，包括阻抗匹配、偏置電路和直流厄流等；
??? （4）確定仿真類型（S-參數(shù)仿真、諧波平衡仿真、直流仿真、交流仿真等）和仿真參數(shù)以及ADS環(huán)境下的所需的一些變量；
??? （5）對所設(shè)計電路進行仿真，分析這些曲線并得出結(jié)論；
??? （6）優(yōu)化功放電路結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)，能獲得更好的性能，仿真最后達(dá)到性能要求。
3 仿真實例
在本次仿真的實例中采用了MRF21030晶體管測試板作為功率放大器，對本放大器的一些特性進行仿真，主要包括功率放大器的漏極效率、轉(zhuǎn)換功率增益、IMD3和IRL（輸入回波損耗）與頻率的關(guān)系以及漏極效率、轉(zhuǎn)換功率增益與輸出功率的關(guān)系。測試板功放的靜態(tài)工作點為：VDS=28V,IDQ=250mA,VGS=3.85V。在VDS=28V,Pout=30W PEP, IDQ=250mA, f1=2 140.0MHz, f2=2 140.1MHz條件下,測試功放的性能為：Gps=13dB,η=33%（漏極效率）, IMD=-30dBc, IRL=-13dB。下面給出仿真電路和仿真結(jié)果。
3.1 靜態(tài)工作點確定電路與特性曲線
??? 在晶體管的技術(shù)參數(shù)中，半導(dǎo)體廠家通常給出漏極（集電極）工作電壓和電流，但是并沒有給出柵極（基極）電壓。因此，需要通過仿真和實際測試獲得這個電壓。圖1是晶體管直流特性仿真的電路。圖2是MRF21030晶體管的特性曲線。在特性曲線中，能夠發(fā)現(xiàn)靜態(tài)工作點（m2點，即VDD=28Vdc，ID=250mA），得到柵極電壓（VGS=3.775V），這樣靜態(tài)工作點就確定了。
?
?
?
3.2 掃描頻率時仿真電路和特性曲線
??? 圖3是掃描頻率時的諧波平衡仿真的電路圖，這里輸入功率是28.5dBm，這時功率放大器能獲得最大的輸出（30W）。圖4給出了功放的仿真特性曲線。從這個特性曲線上可以看出，轉(zhuǎn)換功率增益約為16dB，效率大約為50%，IMD3約為-27dBc，IRL約為-10dB，頻率變化范圍為2 080M～2 200MHz，而輸出功率為峰值功率30W。
?
?
?
3.3 掃描功率時的電路與仿真曲線
??? 圖5是當(dāng)掃描功率時的諧波平衡仿真電路圖，這里頻率設(shè)定為中心頻率2 140MHz。圖6給出了轉(zhuǎn)換功率增益、漏極效率的三階互調(diào)失真和輸出功率的特性曲線。從中可以看到轉(zhuǎn)換功率增益為15dB左右，效率為5%～25%隨輸出功率（0～6W）而變化。
?
?
??? 查找飛思卡爾提供的有關(guān)晶體管MRF21030的特性曲線，通過比較可知，仿真結(jié)果基本上與廠家的測量結(jié)果一致，但也有一些微小的差別，尤其是IMD和效率，這主要是因為實際的器件和仿真模型不完全相同，另外仿真電路有某些理想的元件。在電路仿真中，可以通過優(yōu)化電路參數(shù)達(dá)到放大器的性能要求，但通過實際選用器件并制版后，由于各種原因可能不能達(dá)到性能要求，這時需要根據(jù)測試的結(jié)果調(diào)整所選用的器件，最后達(dá)到性能要求。
??? 設(shè)計電路時，首先應(yīng)該在EDA工具軟件中進行性能仿真，這里可以適當(dāng)?shù)剡x用器件并進行優(yōu)化，達(dá)到電路性能要求，縮短產(chǎn)品進入市場的周期，同時也節(jié)省了產(chǎn)品開發(fā)的成本。本文針對功率放大器的設(shè)計進行了闡述，采用的工具軟件是ADS，給出了功率放大器在ADS軟件環(huán)境下設(shè)計和仿真的方法和步驟，并給出了仿真特性的電路圖和仿真后的特性曲線。同時對仿真曲線和實際測試的特性曲線進行了比較，比較結(jié)果表明仿真曲線和實際測試曲線是一致的，說明這種設(shè)計方法和步驟是可行的。利用ADS仿真工具軟件進行電路設(shè)計和仿真，對射頻工程師來說是一種重要的方法。
參考文獻
[1] ULRICH L R, DAVID P N. RF/Microwave circuit design for wireless applications[M]. John?Wiley & Sons, Inc. 2000.
[2] ?GILMORE R, BESSER L. Practical RF circuit?design for modern wireless systems, volume II,?Active Circuits and Systems[M]. London. Artech?House, 2003.
[3] ?LUDWIG R, BRETCHKO P. RF circuit design:?theory and applications[M]. Englewood. PrenticeHall, Inc, 2000.
[4] ?SIMECONDUCTOR F, Inc. Freescale device?data-wireless RF product. 2005.1:495-499.