射频功率放大器的设计.doc

本科毕业设计(论文) 题 目 用于通信系统终端的 PA 的设计与实现 专业名称 通信工程 学生姓名 张永祥 指导教师 邹昕 毕业时间 2016 年 6 月 毕业 任务书 一、题目 用于通信系统终端的 PA 的设计与实现 二、指导思想和目的要求 现阶段，当代社会无线通信技术飞速的发展。在我们的日常生活中，诸如 蓝牙 ，WiFi 等无线通信技术随处可见，目前无线通信系统已经全面进入 4G 时 代，未来又将步入 5G 时代。功率放大器虽然只是无线通信系统中很小的一块， 然而其设计的好坏却关系着系统整体的性能，目前，世界上无线通信用户的人 数逐年的递增，它的发展现在已经相当成熟。由于通信业的飞速发展，对于功 率放大器我们也提出了新的要求，我们要设计出性能良好的放大器来支撑整个 无线通信系统。 AB 类功率放大器是一个相对在效率和线性度折中的一种放大器，是功率 放大器最为常用的一种形式，应用十分广泛。AB 类功率放大器处在 A 类和 B 类放大器中间的位置，导通角在 180360这个范围。在确定放大器指标后， 首先要对采用的晶体管进行直流工作点的扫描分析，以获得最佳的工作状态。 完成晶体管支流扫描后，还需要对射频功率放大器电路的稳定性进行分析，以 保证其工作的稳定。对于射频放大器，往往用的是在输入端进行阻抗匹配的共 轭匹配，共轭匹配是一种常见的处理方法，这样做可以很大的范围内降低功率 的反射，功率的反射整个电路影响非常大。另外，在输出端，我们一般用负载 线匹配的方式。在真正进行放大器的操作实验时，我们会采用 Loadpull 曲线， Loadpull 曲线可以确定匹配阻抗的阻值，让我们了解参数的范围。通过使用 Loadpull，我们可以得知当最大功率输出时的阻抗点是多少。 三、主要技术指标 本次以一个 AB 类功率放大器使用 ADS2009 软件进行射频功率放大器的设 计，设计一个指标为工作频率：900MHz；1dB 压缩点输出功率： 35dBm；增 设计 论文 益： 20dB 的 AB 类功率放大器。在完成仿真后，从频谱中应当可以看到功率 放大器在 900Mhz 时输出最大功率谱信号。 四、进度和要求 第二三周 了解并明确毕业设计题目和方向，完成开题报告和任务书 第四五周 查找相关资料，并学习理论知识 第六七周 查阅资料，学习 ADS2006 软件相关知识，并熟练掌握运用 第八九周 定设计方案，设计原理图，提交外文翻译，完成中期检查报告 第十十一周 设计仿真，分析并解决实验过程中的错误，对仿真设计进行完善 第十二周 对设计系统定型，验证结果及修正，对产生的数据结果进行整理 第十三十四周 初步完成毕业设计论文的撰写，并检查其中的错误，对论文进 行校对 第十五十六周 完成论文，完成毕业答辩 五、主要参考书及参考资料 1 徐兴福.ADS2008 射频电路设计与仿真实例M.北京：电子工业出版社. 2009.9 2 黄瑜蓝.ADS 射频电路的设计与应用.北京：电子工业出版社.2011（2） 3 车相前.基于 ADS 射频电路的设计和仿真.北京：人民邮电出版社.2005（4） 4 廖承恩.微波与天线技术基础D. 南京：南京邮电大学出版社.2005 5 陈亦匡.滤波器的设计M. 北京：人民邮电出版社.1945.8 6 李蓉. 滤波器的设计和仿真D. 西安：西安电子科技大学出版社.2008 7 周西朗.微波技术和天线.西安：西安电子科技大学出版社.2007.5 8 陈铖颖.基于 ADS 软件的射频电路设计.北京：北京邮电出版社 2013（11） 9 吴晥春.当代微波器的设计和应用D .北京.北京邮电出版社.2010.6 学生 _ 指导教师 _ 系主任 _ 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) I 摘 要 近年来随着无线通信的迅速发展，以无线电波为载体的移动通信、无线局 域网等为代表的现代通信网成为了支撑现代经济的基础结构之一，功率放大器 作为射频发送机前端最为重要的电路部分，在很大程度上决定了发送机整体性 能，其设计的好坏影响着整个系统的性能。例如，其输出功率决定无线信号通 信距离的长短，其效率决定无线通信设备电池使用时间等。 本文通过运用ADS2009仿真软件，详细的介绍了设计放大器的过程，最终 设计出了一个AB类射频功率放大器。本文主要内容如下： 1.介绍了射频放大电路的一些基本理论，了解了一些射频电路的知识，另 外介绍了一些射频电路中常见的指标，比如S参数，稳定性，史密斯圆图，传输 线理论等。 2.分析了功率放大器的基本原理，介绍了功率放大器的设计过程中需要哪 些指标，对它们进行了解释说明，另外给出了放大器的各种分类。 3. 系统的介绍了如何设计一个有具体指标要求的AB类功率放器，通过利用 ADS2009完成了功率放大器设计过程中一系列的操作，采用负载牵引法等多种 措施完成了设计要求，然后对放大电路中的多个性能指标进行了仿真参数的优 化，最终完成达到预先的设计要求。 关键词：功率放大器，晶体管，负载牵引法 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) II ABSTRACT In recent years, with the rapid development of wireless communication, radio waves as the carrier of mobile communications, wireless local area network as the representative of modern communication network has become one of the modern economy, infrastructure support, as the RF transmitter power amplifier front end of the most important circuit part, to a large extent determine the overall transmitter performance, the design quality affects the performance of the whole system. For example, determine the length of the output power of the wireless signal communication distance, which determines the efficiency of the wireless communication device battery life time. With the help of the powerful ADS simulation software for transistor modeling, on this basis for the stability of the transistor was analyzed, using the load-pull method combined with the Smith chart for input and output impedance matching circuit simulation optimization design . The main contributions are as follows: 1. RF amplifier circuit introduces some basic theory, from the physical structure of the power amplifier analyzes the causes of the RF power amplifier nonlinear characteristic generated and its impact on the communication system, and introduces the Smith chart, stable circuit technology. 2. The basic principle of the power amplifier, power amplifier understanding of classification, introduced the technical specifications of the RF power amplifier. 3. RF power amplifier gives the detailed design process, the use of ADS simulation software, to complete a variety of measures to complete power amplifier design process, the application of load-pull method or the like to complete the design requirements, a plurality of amplifier circuit performance simulation optimization . KEY WORDS：power amplifier，transistor，load-pull method 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) III 目 录 第一章 前言 1 1.1 课题研究的目的及其意义 1 1.2 国内外研究 现状 2 1.3 本文主要工作和内容安排 3 第二章 射频放大电路设计的基本理论 4 2.1 射频电路设计简介 4 2.2 器件模型 4 2.2.1 非线性双极型器件模型 5 2.2.2 非线性场效应晶体管器件模型 6 2.3 传输线理 论 6 2.4 史密斯圆图 8 2.5 S 参数 .9 2.6 稳定性 10 第三章 功率放大器的基本原理和参数 12 3.1 功率放大器基 本原理 12 3.2 功率放大器 的性能参数 14 3.2.1 输出功率 .15 3.2.2 功率增益 .15 3.2.3 效率 .16 3.2.4 线性度 .16 第四章 射频功率放大 器的仿真设计与分析 19 4.1 射频功率放大器的设计概述 19 4.1.1 功率放大器的设计步骤 19 4.1.2 功率放大器 的指标 19 4.2 射频功率放大器仿真设计软件的介绍 19 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) IV 4.3 射频功率放大器的仿真 20 4.3.1 静态工作点的选择 20 4.3.2 偏置及稳定性 分析 22 4.3.3 输入输出匹 配 23 4.3.4 谐波平衡仿 真 .26 4.3.5 电路优化设计 .28 第五章 全文总 结 31 参考 文献 32 致 谢 33 毕业设计小结 34 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 1 第一章 前言 1.1 课题研究的目的及其意义 信息交流是人类社会的重要基础，人和人之间不断的需要通信，人类社会 的进步和通信的发展有着密切的关系。特别是进入21世纪，以无线电波为载体 的移动通信、无线局域网等为代表的现代通信网呈爆炸式发展，发展极其迅速。 因此，作为无线通信核心的射频（Radio-Frequency）电路设计自然而然成了工 程师和科研工作者关注的焦点。 通信业正在用惊人的速度飞速发展，潜移默化的影响着人们的通信交流的 方式。如今社会进入到了飞速发展的信息时代，很大程度上改变了人们的工作、 学习方式，当今人们已经不能离开对信息的需求，人们对信息所追求的目的是 能迅捷的和通信对象进行交流。近年来无线通信系统经历了一场快速而又激烈 的技术变革,因此导致其软件到硬件都要变革。功率放大器作为重要的硬件模块, 其很多特性指标如功率输出、线性度、可靠性等对无线通信很重要,因此也在不 断变革。当今通信的特征有多载波、大容量、多电平和较高的峰均比等，所以 应该用更高的要求来设计功率放大器。 放大器很大程度上明确了发送机的整体性能。它在无线通信中扮演着重要 的角色。该部件不但占据了设备的大部分体积，同时也是设备中的主要能量消 耗部件，还占有相当部分的设备成本。因此，研究出高性能的射频功率放大器 是十分必要的。 在一个无线通信系统中，只有前端的一小部分电路工作在射频频段，即就 是通常所说的射频前端电路，其余的电路都是进行低频的基带模拟和数字信号 处理。通常射频前端电路会包括射频功率放大器等电路。尽管这部分电路的器 件数量比基带电路少得多，但仍然是整个系统成败的关键所在，每一步都显得 极其重要，每一步都应该非常仔细。 设计射频电路是一个极其漫长的过程，在设计过程中往往会受到各种因素 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 2 的影响，比如伴随功率放大器工作频率的升高，我们需要预估功率放大器电性 能，另外因为大信号模型的缺乏，使得功率放大器的分析和设计也会变得非常 复杂。因此选择一个合适的仿真软件对器件进行仿真将会相当重要。在本文中 将选用由美国 Agilent 公司推出的 ADS 软件进行电路仿真，通过 ADS 软件可以 减少人们的计算量，节省人力物力，提高了设计电路的速度。ADS 软件是一款 如今发展非常成熟的软件，得到了大家的充分认可。 1.2 国内外研究现状 随着世界的进步，无线射频微波通信技术的产生对通信技术的发展起到了 重要的作用。射频功率放大器相对其他器件有着非常多的优点，广泛应用日常 生活和工作之中。影响着我们每一个人的生活，当今社会的快速发展要求射频 电路也要与时俱进，随着新技术的不断完善，对射频功率放大器我们也要求其 必须有着更好的有效性与可靠性。同时由于时间变化，信号幅度也在产生很大 的变化，所以射频功率放大器应当有着良好的线性度才可以；为了降低移动通 信的成本，便于热控制，所以效率也应当提高；另外在 3G 移动通信系统中， 数据的传输速率应当要达到 3Mbit/s，每个单独的信号带宽应该达到 6MHz，这 样就需要其应当具有宽带特性；以上这么多问题，都是我们需要对未来射频功 率放大器的提高，只有这样才能跟得上时代的进步。 在设计放大器的过程中，我们需要进行稳定性分析，选择合适的晶体管类 型，目前，针对第三代通信系统开发的放大器厂家主要有飞思卡尔、菲利浦和 ADI 等。在设计的过程中，要考虑到器件的各个参数性能，从而便于我们使用 更好的偏置电路。 1.3 本文主要工作和内容安排 本文通过对射频电路和射频电路相关指标的介绍，以及功率放大器的分类 和各个参数分析。对放大器进行了系统的分析和研究，说明了整个设计过程， 最后根据要求的指标设计出了具有高线性度的AB 类射频功率放大器。 第一章是文章的前言部分，简明扼要的介绍了所选课题的目的，并给出了 放大器当前在国内和国外的发展现状，给大家一个对于功率放大器的初步认识。 第二章系统的介绍了射频电路基本理论，通过了解射频电路理论，掌握相 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 3 关电路知识，同时介绍了射频电路中常见的参数。 第三章给出了射频功率放大器的基本原理，对研究中使用的仿真软件ADS 做了简单介绍。 第四章是设计功率放大器的具体流程，给出了每一步的设计步骤，同时给 出了电路图以及仿真优化结果 第五章是全文总结，总结了设计功率放大器研究过程中所遇到的问题，以 及对本次设计自己的一些见解与看法。 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 4 第二章 射频放大电路设计的基本理论 2.1 射频电路设计简介 在一个无线通信系统中，只有前端的一小部分电路工作在射频频段，其余 的电路都是进行低频的基带模拟。一般而言，射频前端电路包括射频功率放大 器等电路。尽管这部分电路的器件数量比基带电路少很多，但是仍然是整个无 线通信系统成败的重要因素。 射频电路设计要求电路设计要求电路设计者掌握多学科领域的相关知识。 比如通信原理、微波原理、集成电路设计等，这些学科的知识在一定程度上互 不关联，但从射频系统的宏观层面上又紧密地联系在一起；通信原理为系统构 架了基本的调制、解调和基带数字信号处理方案接收、发送机系统设计规划了 接收机、发送机的结构，集成电路设计理论实现了射频系统所需要的每一个芯 片，因此随着射频系统设计向着更高的集成度、更低成本、更先进的解决方案 方向发展，射频工程师所要准备的知识量大大增加。 与模拟集成电路设计的八边形法则类似，射频电路设计需要在较宽的动态 范围和较高的频率下进行模拟信号处理，因此射频电路设计也有着自身的六边 形法则。 除了基站、手机这些人们早已熟知的通信产品之外，射频电路技术还不停 地扩展新的消费和工业领域，比如：无线局域网、全球定位系统、射频标签、 物联网等。 2.2 器件模型 在常见的设计中，往往需要用到低噪声放大器，射频功率放大器以及有源 混频器等器件。 多年来，已经出现了许多有源器件的模型。从信号大小上可分为大信号模 型和小信号模型。场效应晶体管模型中的射频模型又分为JFET的大(小)信号模 型、MOSFET大( 小)信号模型、GaAs MESFET大(小)信号模型等。 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 5 2.2.1 非线性双极型器件模型 因为双极型晶体管可被考虑为相互作用的 PN 结对，模拟它的非线性特性 的途径与模拟二极管模型是相同的。被定义为: (2-1) TbcTsatce VexpI= 式中， 是双极晶体管饱和电流， 是热电压，由下式计算sat T (2-2)qk=VT 上式中，q 表示电荷， T 为绝对温度，单位是开尔文，k 代表玻尔兹曼常 数。 图 2-1 大信号 Ebers-Moll 模型 2.2.2 非线性场效应晶体管器件模型 在信号与系统的概念中，如果一个系统的输出可以表示为每个输入所对应 输出的线性叠加，那么我们称这个系统为线性系统，即对于输入 和 ，）t（x1）（ 2 有其对应的输出 和 ，且可以表示为 和）t（y1）（ 2 ）（y）t（x11 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 6 ，那么对应任意常熟 a，b 有：）t（y）（x22 （2-）t（by）（）t（x）（a2121 3） 因此，如果系统不满足式 2-3，则为非线性系统。 在射频电路中，由多种各样的有源器件所构成的“线性”放大器，因为有 源器件的特性是非线性的，所以这也就导致了总会出现许多不同的失真现象。 在功率放大器中，只有在输入信号相对比较小时，放大器才可以近似看作 是一个线性系统；每当输入信号幅度不断增大时，系统会逐渐显现出非线性。 非线性会对系统产生一些不利的影响。这些影响主要包括谐波、增益压缩、阻 塞、互调以及交调效应。 2.3 传输线理论 在电路理论中存在一个假定：当我们不考虑导线的粗细和长度时，电压和 电流在我们所研究的导线上是不一样的，有着很大的区别。传输线理论即就是 导线长度和波长可比，导线长度方向，电压和电流也是不相等的，传输线是场 分析与基本电路理论相联系的通道。随着工作频率的升高，波长会不断减小， 当波长可与电路的几何长度互相比较时，传输线上的电压与电流会随着空间位 置的变化而不断发生着变化，使得电压与电流呈现出波动性，这与低频电路恰 恰不同。封装引线两端电压电流由于所谓的长线效应而有较大区别，电路设计 时必须考虑。下面介绍一下传输系统的分类： 传输系统是用来传输电磁能量的线路，和低频段不同，射频微波传输线的 种类繁多，从大类上分有三种： （1） TEM 波传输线，包括微带传输线。 （2） 波导传输线，比如矩形和椭圆波导。 （3） 表面波传输线，如常见的介质导波和单根线。 1、双线传输线 作为 TEM 波传输线之一，双线传输线能将高频电能从一点传到另一点。 导线辐射损耗非常之高，所以双线是有有一定范围地应用在射频领域。必须考 虑分布电路特性。 2、同轴线 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 7 传输线更为普遍的例子是同轴线，中心的铜芯用来传送高电平的，它被绝 缘材料缠绕着；传输低电平使用外围的金属薄层来传输，同时起到隔离作用。 当其频率增加到 20Ghz 时，近乎全部的检测装置的外接线都为同轴线，在同轴 线中，往往外导体是接地的，因此辐射损耗和场外干扰非常小，同轴线中介质 材料为聚乙烯。 3、微带线 微带线是当今相对用途广泛的一种平面传输线，它可以通过使用光绘文件 来加工，并且容易与其他无源或者有源的微波器件集成。微带线是准 TEM 模 式，它的相速和特征阻抗可以由静态或准静态解获得。微带线又称为非对称微 带或标准微带，是一种单接地板介质传输线。它是由双导体传输线逐渐变化过 来的，即用一个非常薄的理想导体板进到双导体内，把其中一侧的圆柱移去， 再把留下的导体改成带状，并在它与金属板间加入介质材料构成，微带线的电 力线分布是左右对称，上下不对称，反之带状线则是左右对称，上下也对称， 所以微带线也称为非对称微带线。 微带线适合制作集成电路的平面结构传输线。 其重量轻，成本低。 传输线方程是描述传输线上的电压和电流的运动状态，和它们之间的紧密 联系。对于一个传输线，其电压与电流关系如下式： （2-t/），z（i）t，z（i/）t，z（v- LR 4） （2-），（v），（Gv），（iC 5） 传输线方程即就是公式 2-4 和 2-5。传输线正弦信号源的一个源端接角频率 为 ，传输线上 V 和 I 的可表示如下： （2-jwteV(z)Rtv(z, 6） （2-jwtIi 7） 于是即可得传输线方程： （2-IRV）jwL（dz/- 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 8 8） （2-VCGI）jw（dz/- 9） 上式中， 是单位长度的串联阻抗， 是传输线单位jwL+R=Z jwC+G=Y 长度的并联导纳。 2.4 史密斯圆图 在射频微波工程中，最基本的运算是反射系数 、阻抗 Z 和驻波系数 VSWR 之间的关系，它们是在已知特征参数：特征阻抗 、相移常数 和长度0 L 的基础上进行。史密斯圆图是把特征参数以及工作参数有效的连接在了一起。 从 20 世纪初期史密斯圆图的出现以来，因为它的简单，方便和直观等特点，这 么多年就一直保留了下来。史密斯圆图同时也称为阻抗圆图，史密斯圆图的基 本思想有如下三条所描述： （1）特征参数归一化思想是形成史密斯圆图的重要所在，其包含了阻抗归 一化以及电长度归一化。阻抗千变万化，现在用特征阻抗归一化，统一起来进 行研究。在射频系统中，一般认为特征阻抗 为 。电长度归一化不仅包含0Z5 了相移常数，而且隐含了角频率。 （2）以系统不变量 作为史密斯圆图的基底。在无损耗传输线中， 是系 统的不变量，所以由 从 0 到 1 的同心圆作为史密斯圆图的基底，使我们可能 在一个有限空间表示全部工作参数 、Z 和 VSWR，以公式表示为： （2-j）2-（jz2-j ee）（ i 10） 其中， 的周期是 。/1 （3）将阻抗、驻波比关系嵌套在 圆上。此时史密斯圆图的核心想法可 以说明是：消去特征参数 ，把 归于 相位；工作参数 为基底，同时包含0Z 了 Z 和 VSWR。 一个典型的史密斯圆图是电阻圆和电抗圆的组合，在阻抗圆图的上半部分 中，x 为正数，意思是阻抗为感性。阻抗圆图的下半部分 x 负数，意思是阻抗 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 9 为容性。圆图上的任何一点映射着一个反射系数以及一个归一化的阻抗 Z。 史密斯圆图可以广泛应用于射频微波放大器，振荡器，阻抗匹配等多种射 频电路中。可以利用它来完成诸如读取阻抗，导纳，发射系数等参数指标，也 可以通过进行 LC 和传输线匹配，解决电路中的问题所在，同时处理电路增益 与平稳系数等工作。 2.5 S 参数 射频放大电路中，低频时选择的断路、短路试验法则已经不能再适用下去， 这是由于工作频率很高时，短路的传输线会产生电抗效果，断路相当于电容。 射频电路研究中一般采用散射参数法，即选择 S 参数，使用二接口的分析方法 以此来确定射频器件的特征。 使用入射电压波和与其对应的反射波的做法确定网络中的进出关系即就是 S 参量法。如下图 2-2，端口 1 的入射波为 ， 为端口 1 的反射波， 为端1ab2a 口 2 的入射波， 为端口 2 的反射波。2b 图2-2 二端口网络 图2-3 S参数模型 图 2-3 为 S 参数模型。S 参数定义为： 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 10 （2-端 口 入 射 波1端 口 反 射 波ab012S 11） （2-端 口 入 射 波1端 口 反 射 波ab012S 12） （2-端 口 入 射 波2端 口 反 射 波ab021S 13） （2-14端 口 入 射 波2端 口 反 射 波ab021S ） 在两端口网络中，S 参数的实际表示为： 是输出端口 2 匹配时输入端口1S 1 的电压反射系数； 是端口 2 匹配时正向电压传输系数，相当于一个方向的21S 电压增益，经过两两互乘之后得到正向功率的增益； 为端口 1 匹配时网络反12 向电压传输系数，也就是所谓的反向电压增益，平方后可以得到反向功率增益； 是端口 1 匹配时端口 2 的电压反射系数。2S 2.6 稳定性 在功率放大器的实践中，稳定性问题是这之间最重要的事情，如何保持一 个电路稳定，是必须解决的。当电路稳定之后，其余的参数才能给予考虑。造 成一个电路有很大起伏的原因多种多样，这之间其核心作用的是晶体管 S 参数 等指标。 进行一个放大器设计前，首先应当确定晶体管有没有具有稳定。了解一个 电路是否具有稳定，定义公式是: （2-21 21-SK 15） 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 11 （2-122SB 16） （2-2122 17） 其中， 2121-SS 如果 K1，B0 都符合的前提下，那么这个电路则具有了稳定性，若是没 有符合上述要求，即电路里有着一些影响电路不稳定的条件，此时就需要想办 法使得电路稳定。本次做放大器采用的 ADS 软件，在软件中我们就用上面的公 式法 K，B 来判断电路是否稳定。在仿真控件面板中。 StabFactl 相当于 K，判 断 StabFactl 是否大于 1 就行。StabMeasl 则为 B，StabMeasl 大于 0 即可。 图 2-4 表示的就是在实践中往往用到的稳定方法。我们应当关注的是，在 设计电路中，稳定电路一般是加在输入端口中，因为在输出端口会有较大的功 率消耗，但在小信号放大中，输入端在加入电阻之后会使噪声增加。此外，输 入端加入电阻后会在某些频段引起增益损失，一般需通过加入 RC, RL, RCL 选 频网络加以改善以满足设计要求。 图2-4 放大电路常用稳定措施原理图 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 12 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 13 第三章 功率放大器的基本原理和参数 射频功率放大器（RFPA）于一定程度上确定了通信系统的好坏，为了使读 者对放大器有一个概念上的掌握和理解，本章首先介绍功率放大器的基本原理， 再介绍一些设计指标参数，了解了电路原理的基础上，才能更好地使用 ADS 进 行电路设计和仿真。 3.1 功率放大器基本原理 功率放大器的种类：传统上，由于射频功率放大器放大信号的模式，功率 放大器大致上分为两个大类：在两种模式下，分别是放大模式功率放大器和开 关模式功率放大器。常见的功率放大器分为 A 类、 B 类、C 类和 AB 类功率放 大器。对双极型晶体管而言，开关工作模式功率放大器根据双极型晶体管所处 的端电压状态，工作在截止区及饱和区；相对于场效应晶体管看，开关工作模 式功率放大器根据场效应晶体管所处的端电压状态，工作在截止区或线性区。 开关模式射频功率放大器又可以分为 D 类、E 类以及 F 类功率放大器。本文主 要说明一下 A、B、C 和 AB 类功率放大器。 （1）A 类功率放大器 A 类射频功率放大器为所有功率放大器中线性是最高的，在 A 类工作状态 下，晶体管在信号的整个周期内都是导通状态，导通角为 360。如图 3-1，直 流偏向点往往定在截至点和饱和点的之间这块范围。此类功率放大器的优点是 有着良好的线性度、失真相对小，而其缺点是效率很低、尺寸大并且有较高的 热消耗，其效率最高只是 50%。 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 14 图3-1 A类放大器的特性曲线 （2）B 类功率放大器 B 类功率放大器由两个不同类型的晶体管构成。当输入信号在正半个周期 范围时，NPN 晶体管导通，PNP 晶体管截止；当输入信号在负半周期范围时， PNP 晶体管导通，NPN 晶体管截止。这样在整个信号周期内，两个晶体管可以 交替工作，输出电流和电压波形仍然会保持完整。每个都只有半个周期打开， 因此导通角为 180。由于 B 类功率放大器的晶体管，在一整个周期信号内没有 相联系，所以相对于 A 类放大器，晶体管的静态损耗相对较低，效率则要比 A 类稍高一点。 图3-2 B类特性曲线 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 15 （3）C 类功率放大器 C 类功率放大器导通角比 180还要低，在晶体管内部，很小一部分是连接 着的，而且电流也只是很小的一点。每当信号有失真现象出现，晶体管是工作 在非线性区，因此通常应当采用一些措施来处理谐波分量。C 类射频功率放大 器的最大效率在实际上应当可以非常高，接近 1，然而导通角为 0，也就是当 一个晶体管处于截止状态时候，并没有功率的输出。 图3-3 C类特性曲线 （4）AB 类功率放大器 AB 类射频功率放大器，顾名思义，和 A 类，B 类放大器有很大的联系， 它是处在 A 类和 B 类功率放大器中一种，无信号输入时，当有一个静态偏置电 流存在，AB 类放大器在输入信号的大半个周期都处于导通状态，此类放大器 导通角在 180360 之间。因此 AB 类射频功率放大器是一个相对优缺点比较 均匀的一种放大器，效率与线性度很好折中在一起。这次毕业设计我所选择的 功率放大器就是一个 AB 类功率放大器。 3.2 功率放大器的性能参数 功率放大器的作用主要是放大射频信号到我们所需要的功率，使接收机可 以接收到信号，因此功率放大器是通信系统中所必须要有的，功率放大器的参 数有输出功率、功率增益、效率和线性度等，线性度又包括增益压缩，谐波失 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 16 真等，每一个参数都决定了最终系统的好坏。 3.2.1 输出功率 输出功率( 或 )是反映功率放大器对外输出能力的指标，通常有最大 OUTPL (饱和)输出功率 ( )和 1dB 压缩点输出功率( )两种。根据功率传输特征可SA BPd1 以得到，任何一个设备都有一个自己的活动范围，一定程度内它们的输入和输 出功率保持逐步增加的性态。对于一个 PA，在操作过程中为使其有相对较大的 输出能力，所以我们往往让他们在非线性区工作，这一点非常重要。当 PA 的 输入功率上升到一定范围时，放大器输出功率的上升状态也会停止；当输出功 率比线性递增时能到达的功率小一些时，例如小 1dBm，该输出功率就被叫做 1dB 压缩点输出功率；如果要继续增大放大器输出功率，就会达到一个位置， 在这个位置输入功率即使继续增加，输出功率也不再会加大，该位置的输出功 率就称为最大输出功率( )或饱和输出功率，它是射频功率放大器的一个非常SATP 重要的指标。常见的功率的表示单位有瓦(W)、毫瓦(mW )等。常见的输出功率 之外，还有输入功率，和表示进出端口连接性能好坏的信源资用功率，网络可 用功率等等。 3.2.2 功率增益 功率增益对一个放大器的直接影响是反映了放大器的功率放大能力，他是 衡量放大器整体性能好坏的一个关键因素，通过功率增益可以看出一个放大器 是否稳定。功率增益是输出功率与输入功率的比值，表达式为： （3-inoutaPG 1） 功率增益的单位是 dB，另外一种表示方法是对数表示，3-2 所示 （3-）dBm（-）（）dB（aininoutPG 2） 国际上，对功率增益在一个通信系统中并没有一个完全标准的方法表示， 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 17 由于功率增益对于功率放大器是一个非常重要的影响因素，因此功率增益必须 在一定范围内才可以，一个功率放大器能输出多大的功率，这个放大器也应当 具有相同的功率增益才可以。比方一个放大器仅有 10dBm 的功率，那么这个功 率放大器也只能有 10dBm 的功率增益才行。 3.2.3 效率 功率放大器集电极的射频输出功率和直流功耗的比值，这是集电极最大效 率的定义，在 A 类、B 类、C 类功率放大器中可以表示为： （3-）cos-in（42max 3） 式中，2 是功率放大器一个 2 周期的导通角。根据式 2-3 可以得到 A 类功率放大器的效率最大为 50%,同理 B 类为 78.5%，C 类为 100%。在 A 类到 C 类功率放大器的过程中，它们的效率从 0.5 上升到 100%，而从输入端传到负 载上的功率却逐渐变小到 0，根据这个可以推出公示 3-4： （3-cos-12inmaxP 4） 除此之外，功率附加效率也是重要的参考，功率附加效率的表达式如 3-5 所示： （3-toal，dcinu-PAE 5） 3.2.4 线性度 线性度是衡量功率放大器输出信号与输入信号比值的线性关系的参数。在 设计放大器过程中，当放大器工作在大信号状态时，我们必须要考虑晶体管的 非线性效应。 （1） 增益压缩 当功率放大器的输入信号幅度在某一范围内变化时，输出信号的幅度与输 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 18 入信号的幅度会呈现线性关系，即功率增益保持恒定。但随着输入信号幅度的 增加，晶体管的工作区域由线性区会转向饱和区，出现非线性失真，功率放大 器的增益开始下降，或称其为压缩。通常用功率增益比线性增益小 1dB 时的功 率点来衡量一个功率放大器的线性度，这个点称作 1dB 压缩点。 （2） 谐波失真 谐波失真是衡量功率放大器的一个重要指标，它是指当功率放大器输入单 一信号时，在输出端，除了基频信号被放大以外，原信号的各次谐波也被放大， 导致可能干扰其余的频带，这样的情况下通常需要通过加匹配网络进行谐波抑 制才可以。 （3） 交调失真 交调失真指的是每当射频功率放大器输入端的频率相差非常小时，这个时 候会出现因为输入信号的和差而产生的交调失真信号。如图所示，其中，三阶 交调失真（IMD3）因其频率与载波频率很近，难以用滤波器消除，容易产生干 扰临近频率，对系统产生很大的危害。比如下图中有两个不同频率的输入信号 和 ，由于功率放大器具有非线性，输出信号中将会出现很多很多新产生的1f2 分量，如图 3-4 所示。 （m 、n=0 、1、2） 21nfm （3-6） 图3-4 放大器的交调失真 每个分量分别称为其 m+n 阶交调分量。上例其 m+n 阶交调系数是： 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 19 （3-）dBc（log10inmnmPM 7） 三阶交调失真的定义的基频信号的输出功率和三阶交调信号的功率相比之 后的取值，即： （3-12f-1f3PIMD 8） 式中，功率采用 dBm 为单位，IMD3 的单位为 dBc，dBc 即就是基频信号 的输出功率与三阶交调信号 dBm 的差值。 三阶交调点（IP3）的定义是是基频信号功率和三阶交调信号功率的虚拟延 长线上相交的点，这个点就是三阶交调点。一般而言，三阶交调点的功率大约 比 1dB 压缩点的功率要高 10dBm。 （4） 错误向量幅度 发射机发射的信号除了不在相邻通道内产生影响外，对它的本质要求是通 道内的信号具有很高的质量，能被接收机准确解调。错误向量幅度（EVM ）就 是为了衡量发射机的信号质量而引入的参数。EVM 就是发射机发射信号错误向 量的归一化长度。 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 20 第四章 射频功率放大器的仿真设计与分析 4.1 射频功率放大器的设计概述 4.1.1 功率放大器的设计步骤 功率放大器设计通常需要以下几个步骤。 （1） 确定指标，选择工艺并添加设计所需的工艺库。 （2） 按照我们对此放大器的要求与我们所选择的相应晶体管的特性决定 它的静态工作点。 （3） 进行功率放大器的电路设计。 （4） 对所设计电路进行仿真，分析仿真曲线并优化。 4.1.2 功率放大器的指标 AB 类功率放大器是功率放大器中最常见的一种类型，它较好的利用了效 率和线性度的折中进行设计。本章就以一个 AB 类功率放大器来说明如何使用 ADS2009 软件进行功率放大器的设计，设计的 AB 类功率放大器指标为： 工作频率：900MHz。 1dB 压缩点输出功率：35dBm。 增益： 20dB。 确定设计指标后，就可以进行功率放大器的设计和仿真了。 4.2 射频功率放大器仿真设计软件的介绍 自二十世纪末期开始，射频微波技术已经慢慢转移到了平面电路方向，美 国安捷伦(Agilent)公司推出的大型 EDA 软件 ADS 因为其便捷的操作和操作多 样性，使得越来越多的人认识并了解，为众多射频电路爱好者提供了一个专业 的设计电路工具，ADS 软件包含了多种 EDA 软件的好处，计算精确，设计功 能全面且易于操作，在最重要的仿真方面，可以进行时域仿真，频域仿真，模 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 21 拟电路，数字电路仿真等多种多样的电路仿真，总之，ADS 软件是一个业界非 常优秀的软件，得到了众多人们的支持。 ADS 软件能实现系统、电路、全三维电磁场仿真，并且可以与其他仿真软 件以及安捷伦测试仪器进行连接仿真验证，可以使设计者在繁杂的系统、电路 中快速的完成电子设计并通过测试。 ADS 是射频放大电路初学者和爱好者最初都会用的设计工具，它功能的强 大亦无须多谈，下面简要的介绍几个 ADS 仿真软件的功能： （1） 线性仿真器：频域电路仿真器，用于进行 S 参数，直流和交流小信 号仿真。 （2） 射频系统仿真器：使用精确的模块级模块对整个射频系统进行建模 （3） 13 类优化器：可对设计进行优化，实现最佳的产品性能 （4） 连接管理器：用于安捷伦测试仪器进行双向数据传输 4.3 射频功率放大器的仿真 现代移动通信的发展对移动终端的要求变得越来越高，本文中设计了一个 工作在 900MHz 的 AB 类功率放大器。我选择了飞思卡尔公司的 LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)功率管 MW6S010N，通过对管子 所进行直流工作点的仿真、设计偏置电路以及匹配电路、对匹配电路进行优化、 谐波平衡仿真，通过这些设计步骤，最终可以得到我们所设计的 AB 类功率放 大器的工作点偏置、S 参数、输入电压、输出电压、功率附加效率，增益等放 大器的性能指标，从而完成设计放大器。 4.3.1 静态工作点的选择 选择功率放大器的工作状态确定静态它的工作点，在 ADS 元件面板中入 MW6S010N 模型库，然后根据 ADS 仿真软件操作步骤建立如图 4-1 所示的直 流仿真电路图，并进行仿真。 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 22 Source Drain Gate FET Curve Tracer Set drain and gate voltagesweep limits as needed. DisplayTemplatedisptemp1 “FET_curve_tracer“ TempDisp DCDC1 Step=0.6Stop=30 Start=0SweepVar=“VDS“ DC FSL_MW6S010N_TECH_INCLUDEFSL_MW6S010N_TECH_INCLUDE FSL_TECH_INCLUDE VARVAR1 VGS =0 VVDS =0 V EqnVar ParamSweepSweep1 Step=Stop=5 Start=0SimInstanceName6= SimInstanceName5=SimInstanceName4= SimInstanceName3=SimInstanceName2= SimInstanceName1=“DC1“SweepVar=“VGS“ PARAMETER SWEEP FSL_MW6S010N_Level2_Rev2_MODELFETFSL1 CTH=-1RTH=-1 TSNK=-1 V_DCSRC1 Vdc=VDS V_DCSRC2 Vdc=VGS I_ProbeIDS 图4-1 直流扫描电路 仿真结果为： 图4-2 MW6S010N晶体管的I-V曲线图表 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 23 根据MW6S010N的数据表，漏极直流电压为3V，作为AB 类的功率放大器， 因此选择 V，静态工作电流为 A。和数据表中的数据相比，2GS 476.1DSI 电流取的相对比较大，这是为了可以获得更好的线性度。 4.3.2 偏置及稳定性分析 用软件找出 MW6S010N 的偏置电路模型，从 ADS 软件元件面板中调出 MW6S010N 以及飞思卡尔识别控件，添加了元件之后的原理图如图 4-3 所示， 图4-4 稳定性扫描原理图 然后仿真，如图4-5所示： 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 24 图4-5 稳定因子随频率变化曲线 可看到在900MHz时，StabFact1 ，即稳定因子K1，功率管在整个带内稳 定。从仿真结果可看出，低频时由于寄生效应的影响，K1，可能会发生振荡。 所以在设计过程中，要用一些措施对放大器进行处理，使它可以稳定的工作。 如果稳定因子小于1，则晶体管有可能会发生震荡，所以要采取一定的稳定措施 来使晶体管处于稳定状态。稳定措施有很多很多，常用的一种是在晶体管的栅 极加入一个小电阻，然而电阻的加入会导致增益和功率的降低，所以可以在电 阻上并联一个电容来减小损耗，本次稳定因子大于1，所以不需要采取稳定措施。 4.3.3 输入输出匹配 阻抗匹配网络设计是成功地设计射频功率放大器的关键所在。本文将采用 负载牵引法设计输入输出阻抗匹配网络。 4.3.3.1 负载牵引设计方法 在进行阻抗匹配设计之前，先简单介绍负载线与共轭匹配的区别。当不考 虑信号源的物理限制时，共轭匹配确实是可以使负载上得到最大功率，我们可 以通过共轭匹配获得最大功率值，但是真正的情况是晶体管常常要受到各种条 件的限制和影响。相反，负载线匹配方式则主要考虑到了电路实际工作时可能 出现的最极端的情况，即一个信号源的最大承受电压 和最大输出电流 。maxVmaxI 当一个信号源的输出电流受到相应的限制时，信号源所能输出的电压就会很小， 负载上的功率也会很小；另外一种情况，当信号源的输出电压受到一定的限制 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 25 时，信号源所能输出的电流就会变得很小，负载上的功率相对应的也会非常小。 在进行功率放大器设计时，确定通常采用Loadpull曲线来获得输出端匹配 电路的阻抗值。Loadpull 曲线是输出功率随负载阻抗变化的曲线，通过该曲线， 即可获得最大功率输出时的阻抗点。Loadpull曲线可以通过ADS 的Loadpull仿真 获得。 4.3.3.2 负载牵引设计 Load-Pull 图4-6 修改好的Loadpull仿真电路原理图 在ADS中先插入Load-Pull模板，将FET模型替换为 MW6S010N模型，然后 运用负载牵引法确定Load-Pull的范围，并结合Smith 圆图进行匹配，最后生成匹 配电路。 将匹配电路经过仿真，如图4-7，4-8： 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 26 图4-7 Load-pull仿真 图4-8 Source-pull仿真 从仿真结果中可以看出，功率圆和效率圆都没有完全显示，这就需要在仿 真前调整Loadpull 扫描点范围，Loadpull 扫描参数确定后再重新仿真。 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 27 图4-9 待匹配电路图 阻抗匹配电路决定了功率放大器输出至负载的最大功率，是射频功率放大 器电路设计中的一个重要环节，根据前面的电路图组成待匹配的电路图，如图 4-9所示，输入和输出匹配完成之后即可对各项电路参数进行扫描。 4.3.4 谐波平衡仿真 完成所有原理图电路后，就可以对它性能参数仿真了，我们采用谐波平衡 法仿真，插入谐波平衡仿真模板，对HB仿真控制器对其进行设置，在 Sweep栏 中的Parameter to sweep处填入RFpower，扫描范围为030dBm，步长为0.2dB。 如图4-10 ： 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 28 图4-10 HB仿真电路原理图 通过对HB仿真电路图的仿真，我们可以得到功率放大器的各个参数曲线， 对该电路图进行仿真： 图4-11 输出功率仿真曲线 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 29 图4-12 增益压缩仿真曲线 从上面的仿真图可以看出来，在输入功率为30dBm时，功率放大器的输出 功率、1dB 压缩点、附加效率均不符合要求，增益也严重偏低。因此，必须对 电路进行优化设计，以达到要求。 4.3.5 电路优化设计 将匹配电路通过 ADS2009 软件进行仿真，我们可以用微带线匹配方式以及 LC 元件连接电路两种电路匹配方式。此次我们设计此 AB 类功率放大器所使用 的是 LC 元件连接电路的匹配方式来进行此次设计。 在原理图窗口选择一个优化控制器插入原理图中，此例中我们主要对 进21S 行一下优化，将输入匹配的电感和电容分别改为变量值L1和C1 作为优化对象， 在原理图中加入一个变量控制器，完成设置后进行仿真，仿真结束后自动弹出 优化后的仿真结果，如图4-13所示， 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 30 图4-13 优化后的仿真结果21S 可以看到功率放大器在900MHz时，增益为22.180dB ，达到了我们预先的要 求。 在原理图工具栏中将仿真控件和目标全部失效，重新进行扫描即可得到此 时的S参数及谐波扫描结果，如下图所示。 图4-14 输出功率仿真曲线 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 31 图4-15 增益压缩仿真曲线 在上图中的功率放大器最终仿真结果中，我们可以看到此功率放大器在 900MHz时输出最大功率谱信号，1dB点输出功率达到 37.500dBm，增益 22.180dB，完全符合我们之前的要求，达到了预期的目标。 西北工业大学明德学院本科毕业设计(论文) 32 第五章 全文总结 因为当今通信的飞速发展，发射机重要部件之一的功率放大器，其影响越 来越明显，设计一个性能指标都完美的放大器有着重要的作用，本文当中首先 介绍了一些射频电路中的相关知识点，然后介绍了功率放大器的类型以及指标 参数，最后通过 ADS2009 仿真软件对功率放大器进行了稳定性分析，共轭匹配 与负载线匹配，输入、输出阻抗匹配，S 参数以及谐波平衡仿真等，最终成功 设计出了一个满足事先指标的 AB 类射频功率放大器。 在功率放大器的设计中，晶体管的选择至关重要，只有对晶体管选择合适 的直流点，才能在后续的设计中大到较好的增益和线性度指标。此外，稳定性 设计和阻抗匹配决定了功率放大器在系统中所能进行的工作状态，这些都是设 计功率放大器的重点，每一步都应当按照相应的要求完成才行。 总之，基于 ADS2009 分析并设计功