论文研究-基于ADS的基站射频功率放大器的设计与仿真 .pdf

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基于ADS的基站射频功率放大器的设计与仿真,刘然举,南敬昌,为提高功率放大器(Power Amplifier,PA)的效率,本文利用ADS仿真软件,通过采用双向牵引和匹配偏置联合仿真的方法,设计了一款工作在1
山国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 偏置网络和匹配网络的仿真 偏置网终是直流通路作用,是使体管工作在放大区,匹配网终最基本作用是在目标频 带内完成有效的阻抗变换,实现负载阳抗与信号源内部阻抗相互适配,获得最人功率输出。 但在总体设计时,直流通路与交流信号之间存在耦合,景响信号的传输效率和线性度。因此 在改计输入输岀网终时,为实现在总体电路仿真时的最优化,对偏置网终和匹配网络进行仿 真,可以及时观察和调整偏置对输入匹忾和输岀匹配电路的影响,调整谐振点的偏移,及时 对分立原件寄生效应做出改善。可以使功率在总体电路仿真时,效果在特定频率达到最佳 如图所示 MCURVE sca100cDR13B0G19960828 TL1 Subst'MSub1" PAR_NUM=ATC100B120GCA500 12pH MILIN adis mm L=8 m PART_ NUM=ATC100B430GCA500 43pl NurT Teel =(5」15ohm Subst msub1 MTEE ADS Subst"SUbl SubsT" 1 W=1.53mr W=1.074I L=L3 mm L=L4 mm L=4 mm L TL10 2-50 W-D.78 mm L-1689rl 80 图2输出匹配带偏置 Fig 2 output matching band offset MCUR sc atc 100 CDF13BG TL1 PART NUIM=ATC100B12CGCA Substysub1 mlin W=1 mm W=l mm L=8 mm sC- CDR:3BGG1996082B MTEE ADS MLIN MSTEP ASTEP NulI-1 Tea z=(2.1y5.5)ohm Subst-MSubr"Subst=MSutr"Subst-'MSub Subst"MSub1" Subst-'MSubr, C Subst msub Z=50 Ohm v=1074mn v=1074mm L=凵2mm W2=3.886mm L王1mm ∨2=1074ml 图3输入匹配带偏置 Fig 3 input matching band offset 将设计好的偏置网络和匹配K络连接在一起对电路进行S参数仿真,观察仿真结果S: 等参数。对比匹配电路未带偏置的仿真结果,对电路及时调整。当带偏置和未带偏置旳匹氈 电路仿真结果差异较大,及时对电路做出优化和调整,使在整体PA仿真时,电路的优化得 到简化。 90 射频功率放大电路设计实例 为验证双向牵引与共轭匹配相结合的方法对放大电路效的提晑,匹配网络与偏置网络 联合仿真对电路的改善效果。本文采用 freescale公司功放管模型MW6S004,设计了一款工 作在1850MIz的功率放大器。 山国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 直流扫描 为得到晶体管的静态工作点和工作状态,运用ADS内的直流扫描模板对MW6S004进 行直流扫措,如图所示: Probe 兴 V DC Vdc=VDs DS-28 SRC2 Vdc=VGs 3CS=:2800 200 20304050 图4直流扫描原理图和结果图 100 Fig 4 DC scanning principle and result diagram 在这里是功率管放人器工作在AB类,这样可以得到更高的PAE,以及线性度。根据 datasheet数据手册提供数据参考,本文采用ⅴDS-28V,ⅤGiS-2.8V,漏极电流IDS=50mA。 当选择较大的电流时,能够得到更好的线性度 稳定性分析 105 在确定静态工作点以后,对MW6s004晶体管进行稳定性的分析。在软件中建立S参数扫描 模板对稳定性进行扫描。当稳定因了在⊥作频带大于1吋,可以实现放大器的绝对稳定。如 图所示为稳定因了的仿真原坦图和结果 Vdc.0V dc=1,0V CYY DC Feed V DC 表 V DC SRC2 SRC1 DC Fedd DC Block DC Bloc Term Term1 Ct Term Num=1 MRF1 Z=50 Ohm MODEL=MW6S004NTerrm2 Num=2 TSNK-25 RTH=-1 Z=50 Ohm CTH=-1 0.0020406081.0121.41.5 fred, GH 图5稳定因子分析原理图和结果 Fig 5 Schematic diagram and results of stability factor analysis 由图可知,在工作频率内,稳定因子远大」1,晶休管可以稳定工作。 Rollett稳定因子 K分析计算方法及不稳定吋的处理方法。稳定因了K的直接计算公式: K=(1-S12-S2+N2y2S12S2 115 K>1放大器可稳定工作; K<1,晶体管的稳定性则取决于源与负载阻抗相对于稳定圆(边界条件)的位置,当存在 不稳定性吋,必须改善对晶体管的设计电路,其方法包括 (1)电阻性加载:在有源器件的不稳定端凵串联或者并联电阻,米抵消阻抗实部的负值 4 山国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 部分。 120 (2)并联反馈:在晶体管的输岀端和输入端之间连接一个电阻,引λ负反馈,这样也可 以改善晶体管的稳定性,也有易于输入输出阻抗匹配。 (3)串联反馈:通常是将一个电感器接在晶体管的源极与地之间。这种方法可以改善放 大器的稳定性、噪声系数和电压驻波比。但是由于电感的加入,使晶体管的源极或者发射极 不能及时接地,所以这种方法很少用于功放设计中 125 匹配电路的设计 成功的设计功率放大器的关键是设计阻抗匹配网络。在得到静态工作点以后,确定栅极 和漏极电压。改计栅极偏置电路、漏极偏置电路。栅极和漏极偏置直接影响功放的工作状态。 设计完成后,采用双向牵引技术,得到最佳的电路阻抗,如图: /s hg ”國 沿m PIe=tr harmonic frequencies enter =0.0aD m1Fh80399 45I PARAMETER S/EEP :B3: contours_p=.480/97.625 Pdel contours_ p=0. 382/79.620 567+j0.700) impedance=8.472+7.452 a 130 图6负载牵引电路(a)和仿真结果(b) Fig 6 load pull circuit(a) and simulation results(b) 通过负载牵引可以确定负载阻抗,同样方法,通过源牵引确定源阻抗。再通过双向牵引 确定最佳的输入阻抗2.096-15.536欧、输出最仕阻抗8.47317.540欧,共轭匹配的方法匹配 135 电路,共轭阻抗如表1所示。 袤1最佳共轭阻抗 Tab. 1 Optimal conjugate impedance 输入 输出 最佳共轭阻抗(欧)2.09+15536 8.473-7.540 确定后在史密斯圆图上进行电路阻抗兀配,且选用混合参数原件进行设计。在进行匹配 时要注意不要使用电感元件,电感元件功耗较大,不利于节能和电路总体性能设计。如图所 140小在圆图上设计后自动生成电路图及仿真结果如图 C2 C=20.203005pF TLIN Num=3 TL7 tl8 Num=4 Z=40 Ohm z=60 Ohm Z=30 Ohm F=37.00 E=6196E-2259 F=1,85 GHz F=1.85 GHz F=1.85 GHz 图7输出匹配电路 Fig 7 output matching circuit 山国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 00 0.5 三 freq=1.850GHz dB(1)=-40.076 Min 2.0- 25 101.11213141.5161.71.81.920 101. 13141.51.61.71.81.920 freq, GHz freq, GHz 145 (b) 图8输出匹配仿真结果 Fig 8 output matching simulation results 为査看匹配效果,本文使用S参数扫描模式,观察匹配网终的S参数,本文主要查看 S11,S21等参数。可以较准确的观察电路元件的元件值的实际效果。从图中可以看到电路 150 仿真后回波损耗在1850MHz时为-40.076dB,远小」-10dB,满足设计要求。同理,输出匹 配电路用同样的方法设计。从结果可以看出双向牵引的优越性, 完整功率放大器电路仿真 用实际微带线代替匹配电路中的理想微惜线,为模拟微带线的不连续性在匹配电路加入 MIEE、" MCROSO”等器件。将设计好的输入输岀匹配电眳以及漏极偏置和栅极偏置电路 55 和晶体管整合起来,如图: Vs high MODEl=IAESCAJ 图9PA总体电路 Fig. 9 PA overall circuit 对整体电路进行谐波平衡仿真,如果结果不是很理想的话,就要对某些元件参数进行优 化。具体方法就是将匹配电路中或偏置电跻中的部分原件设为可优化元件,然后对整个电路 进行优化仿真,经过多次调试和仿真,优化后的仿真结果如图 山国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn Gain and Gain Compression Power-Added Efficiency. 18 5 8回 F16 15 20 22242628303234363840 22242628303234363840 Output Power, dBm Output P (a)(b) 佟10输出匹配电路仿真结果 165 Fig. 10 output matching circuit simulation results 从图中可以看山功放管的增益不低于17.8dB,效率可以达到54%以上,图10为PAE 随输岀功率变化结果ε而且此吋放大器的稳定性可以保证,同时功放较好的线性能够满足整 体的设计要求。较一般的AB类功放,性能有了明显提高,同时也证明此方法的优越性。 对整体电路进行一阶交调尖真测试,结果显示,在输出功率为35dBm时,功率放大器 170 的三阶交调尖真为-25.126dBc。结果显示功率放大器的交调尖真满足设计要求。原理图及仿 真结果如图所示: dep(m2)-35008 plot vs(ThirdordIMD h Pload dBm)=-25126 Third-Order IMD. dBc V DC 30 vIcar 岛宫8 总先路的 Output Power, Both Tones, dBm 图11三阶交调原理图和仿真结果 175 Fig 11 schematic and simulat ults of th der intersecti 结论 本文主要利用ADS软件通过双向牵引技术进行射频功率放人器匹配电路的设计,即通 过双向夲引确定最佳阻抗点,采用共轭匹配的方法进行匹配电路的设计。偏置与匹配內络的 仿真改计,对放大尜电路优化与调整有一定效果。仿真结果显示输出功率为38dBm,功率附 180 加效率可以达到54%,并且增益不低」17.8dB,相对」一般AB类功率放大器,增益与效 率有较大的提高。综上所述,利用双向牵引法进行基站功放的设计,可以进一步提高基站功 放的性能 致谢 此论文是在南教授和盛爽爽学长的帮玏卜完成的。感谢南老师为我们创造了学习坏境 7 山国武技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 185 南老师指导的射频微波兴趣小组对于我们的学习提供了很大的帮助,在小组里我学到了很多 知识。同时感谢盛爽爽学长使我对这一专业方向的学习与认识提供了很大的帮助,使我遇到 问题可以很快得到解决。同时感谢帮助我的同学们。 本论文的完成老师与学长提供了很大的帮助,再次向他们表示感谢。 参考文献 [1]闫博,刘希顺.基于ADS的射频功率放大器设计与仿真[D].湖南:国防科技大学,2010 [2]徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M]电子工业出版社,20099 [3] John R. Gajadharsing Low Distortion RF-LDMOS Power Transistor for Wireless Communication Base Station Application] IEEE MTT-S Digest, 2003: 1563-1566 [4]孙凯应用于无线局域网的硅基射频功率放大器的设计[D山东:山东大学,2015 195 [5]郑冬,王志刚.基于ADS的平行耦合带通滤波器的设计「几电子产品世界,2010,17(10)224 [6]戚龙基,张丽彪,张舰航微带线低通滤波器的设计与仿真叭数字通信世界,2015. [7] Gastadi G, Fiumara V, pinto I M. A dual-band Chebyshev impedance transform[J]. Mirowave Optical technology Letters, 2008, 86(39): 141-145 8」段鹏程黎福海.射频放大器的设计与研究[D」湖南:湖南大学,2016.

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