射頻功率放大器的設計.doc

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本科畢業(yè)設計(論文) 題 目 用于通信系統(tǒng)終端的 PA 的設計與實現(xiàn) 專業(yè)名稱 通信工程 學生姓名 張永祥 指導教師 鄒昕 畢業(yè)時間 2016 年 6 月 畢業(yè) 任務書 一、題目 用于通信系統(tǒng)終端的 PA 的設計與實現(xiàn) 二、指導思想和目的要求 現(xiàn)階段，當代社會無線通信技術飛速的發(fā)展。在我們的日常生活中，諸如 藍牙 ，WiFi 等無線通信技術隨處可見，目前無線通信系統(tǒng)已經(jīng)全面進入 4G 時 代，未來又將步入 5G 時代。功率放大器雖然只是無線通信系統(tǒng)中很小的一塊， 然而其設計的好壞卻關系著系統(tǒng)整體的性能，目前，世界上無線通信用戶的人 數(shù)逐年的遞增，它的發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)相當成熟。由于通信業(yè)的飛速發(fā)展，對于功 率放大器我們也提出了新的要求，我們要設計出性能良好的放大器來支撐整個 無線通信系統(tǒng)。 AB 類功率放大器是一個相對在效率和線性度折中的一種放大器，是功率 放大器最為常用的一種形式，應用十分廣泛。AB 類功率放大器處在 A 類和 B 類放大器中間的位置，導通角在 180°~360°這個范圍。在確定放大器指標后， 首先要對采用的晶體管進行直流工作點的掃描分析，以獲得最佳的工作狀態(tài)。 完成晶體管支流掃描后，還需要對射頻功率放大器電路的穩(wěn)定性進行分析，以 保證其工作的穩(wěn)定。對于射頻放大器，往往用的是在輸入端進行阻抗匹配的共 軛匹配，共軛匹配是一種常見的處理方法，這樣做可以很大的范圍內降低功率 的反射，功率的反射整個電路影響非常大。另外，在輸出端，我們一般用負載 線匹配的方式。在真正進行放大器的操作實驗時，我們會采用 Loadpull 曲線， Loadpull 曲線可以確定匹配阻抗的阻值，讓我們了解參數(shù)的范圍。通過使用 Loadpull，我們可以得知當最大功率輸出時的阻抗點是多少。 三、主要技術指標 本次以一個 AB 類功率放大器使用 ADS2009 軟件進行射頻功率放大器的設 計，設計一個指標為工作頻率：900MHz；1dB 壓縮點輸出功率： 35dBm；增 設計 論文 益： 20dB 的 AB 類功率放大器。在完成仿真后，從頻譜中應當可以看到功率 放大器在 900Mhz 時輸出最大功率譜信號。 四、進度和要求 第二～三周 了解并明確畢業(yè)設計題目和方向，完成開題報告和任務書 第四～五周 查找相關資料，并學習理論知識 第六～七周 查閱資料，學習 ADS2006 軟件相關知識，并熟練掌握運用 第八～九周 定設計方案，設計原理圖，提交外文翻譯，完成中期檢查報告 第十～十一周 設計仿真，分析并解決實驗過程中的錯誤，對仿真設計進行完善 第十二周 對設計系統(tǒng)定型，驗證結果及修正，對產(chǎn)生的數(shù)據(jù)結果進行整理 第十三～十四周 初步完成畢業(yè)設計論文的撰寫，并檢查其中的錯誤，對論文進 行校對 第十五～十六周 完成論文，完成畢業(yè)答辯 五、主要參考書及參考資料 [1] 徐興福.ADS2008 射頻電路設計與仿真實例[M].北京：電子工業(yè)出版社. 2009.9 [2] 黃瑜藍.ADS 射頻電路的設計與應用.北京：電子工業(yè)出版社.2011（2） [3] 車相前.基于 ADS 射頻電路的設計和仿真.北京：人民郵電出版社.2005（4） [4] 廖承恩.微波與天線技術基礎[D]. 南京：南京郵電大學出版社.2005 [5] 陳亦匡.濾波器的設計[M]. 北京：人民郵電出版社.1945.8 [6] 李蓉. 濾波器的設計和仿真[D]. 西安：西安電子科技大學出版社.2008 [7] 周西朗.微波技術和天線.西安：西安電子科技大學出版社.2007.5 [8] 陳鋮穎.基于 ADS 軟件的射頻電路設計.北京：北京郵電出版社 2013（11） [9] 吳晥春.當代微波器的設計和應用[D] .北京.北京郵電出版社.2010.6 學生 __________ 指導教師 __________ 系主任 ___________ 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) I 摘 要 近年來隨著無線通信的迅速發(fā)展，以無線電波為載體的移動通信、無線局 域網(wǎng)等為代表的現(xiàn)代通信網(wǎng)成為了支撐現(xiàn)代經(jīng)濟的基礎結構之一，功率放大器 作為射頻發(fā)送機前端最為重要的電路部分，在很大程度上決定了發(fā)送機整體性 能，其設計的好壞影響著整個系統(tǒng)的性能。例如，其輸出功率決定無線信號通 信距離的長短，其效率決定無線通信設備電池使用時間等。 本文通過運用ADS2009仿真軟件，詳細的介紹了設計放大器的過程，最終 設計出了一個AB類射頻功率放大器。本文主要內容如下： 1.介紹了射頻放大電路的一些基本理論，了解了一些射頻電路的知識，另 外介紹了一些射頻電路中常見的指標，比如S參數(shù)，穩(wěn)定性，史密斯圓圖，傳輸 線理論等。 2.分析了功率放大器的基本原理，介紹了功率放大器的設計過程中需要哪 些指標，對它們進行了解釋說明，另外給出了放大器的各種分類。 3. 系統(tǒng)的介紹了如何設計一個有具體指標要求的AB類功率放器，通過利用 ADS2009完成了功率放大器設計過程中一系列的操作，采用負載牽引法等多種 措施完成了設計要求，然后對放大電路中的多個性能指標進行了仿真參數(shù)的優(yōu) 化，最終完成達到預先的設計要求。 關鍵詞：功率放大器，晶體管，負載牽引法 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 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 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) III 目 錄 第一章 前言 1 1.1 課題研究的目的及其意義 1 1.2 國內外研究 現(xiàn)狀 2 1.3 本文主要工作和內容安排 3 第二章 射頻放大電路設計的基本理論 4 2.1 射頻電路設計簡介 4 2.2 器件模型 4 2.2.1 非線性雙極型器件模型 5 2.2.2 非線性場效應晶體管器件模型 6 2.3 傳輸線理 論 6 2.4 史密斯圓圖 8 2.5 S 參數(shù) .9 2.6 穩(wěn)定性 10 第三章 功率放大器的基本原理和參數(shù) 12 3.1 功率放大器基 本原理 12 3.2 功率放大器 的性能參數(shù) 14 3.2.1 輸出功率 .15 3.2.2 功率增益 .15 3.2.3 效率 .16 3.2.4 線性度 .16 第四章 射頻功率放大 器的仿真設計與分析 19 4.1 射頻功率放大器的設計概述 19 4.1.1 功率放大器的設計步驟 19 4.1.2 功率放大器 的指標 19 4.2 射頻功率放大器仿真設計軟件的介紹 19 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) IV 4.3 射頻功率放大器的仿真 20 4.3.1 靜態(tài)工作點的選擇 20 4.3.2 偏置及穩(wěn)定性 分析 22 4.3.3 輸入輸出匹 配 23 4.3.4 諧波平衡仿 真 .26 4.3.5 電路優(yōu)化設計 .28 第五章 全文總 結 31 參考 文獻 32 致 謝 33 畢業(yè)設計小結 34 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 1 第一章 前言 1.1 課題研究的目的及其意義 信息交流是人類社會的重要基礎，人和人之間不斷的需要通信，人類社會 的進步和通信的發(fā)展有著密切的關系。特別是進入21世紀，以無線電波為載體 的移動通信、無線局域網(wǎng)等為代表的現(xiàn)代通信網(wǎng)呈爆炸式發(fā)展，發(fā)展極其迅速。 因此，作為無線通信核心的射頻（Radio-Frequency）電路設計自然而然成了工 程師和科研工作者關注的焦點。 通信業(yè)正在用驚人的速度飛速發(fā)展，潛移默化的影響著人們的通信交流的 方式。如今社會進入到了飛速發(fā)展的信息時代，很大程度上改變了人們的工作、 學習方式，當今人們已經(jīng)不能離開對信息的需求，人們對信息所追求的目的是 能迅捷的和通信對象進行交流。近年來無線通信系統(tǒng)經(jīng)歷了一場快速而又激烈 的技術變革,因此導致其軟件到硬件都要變革。功率放大器作為重要的硬件模塊, 其很多特性指標如功率輸出、線性度、可靠性等對無線通信很重要,因此也在不 斷變革。當今通信的特征有多載波、大容量、多電平和較高的峰均比等，所以 應該用更高的要求來設計功率放大器。 放大器很大程度上明確了發(fā)送機的整體性能。它在無線通信中扮演著重要 的角色。該部件不但占據(jù)了設備的大部分體積，同時也是設備中的主要能量消 耗部件，還占有相當部分的設備成本。因此，研究出高性能的射頻功率放大器 是十分必要的。 在一個無線通信系統(tǒng)中，只有前端的一小部分電路工作在射頻頻段，即就 是通常所說的射頻前端電路，其余的電路都是進行低頻的基帶模擬和數(shù)字信號 處理。通常射頻前端電路會包括射頻功率放大器等電路。盡管這部分電路的器 件數(shù)量比基帶電路少得多，但仍然是整個系統(tǒng)成敗的關鍵所在，每一步都顯得 極其重要，每一步都應該非常仔細。 設計射頻電路是一個極其漫長的過程，在設計過程中往往會受到各種因素 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 2 的影響，比如伴隨功率放大器工作頻率的升高，我們需要預估功率放大器電性 能，另外因為大信號模型的缺乏，使得功率放大器的分析和設計也會變得非常 復雜。因此選擇一個合適的仿真軟件對器件進行仿真將會相當重要。在本文中 將選用由美國 Agilent 公司推出的 ADS 軟件進行電路仿真，通過 ADS 軟件可以 減少人們的計算量，節(jié)省人力物力，提高了設計電路的速度。ADS 軟件是一款 如今發(fā)展非常成熟的軟件，得到了大家的充分認可。 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 隨著世界的進步，無線射頻微波通信技術的產(chǎn)生對通信技術的發(fā)展起到了 重要的作用。射頻功率放大器相對其他器件有著非常多的優(yōu)點，廣泛應用日常 生活和工作之中。影響著我們每一個人的生活，當今社會的快速發(fā)展要求射頻 電路也要與時俱進，隨著新技術的不斷完善，對射頻功率放大器我們也要求其 必須有著更好的有效性與可靠性。同時由于時間變化，信號幅度也在產(chǎn)生很大 的變化，所以射頻功率放大器應當有著良好的線性度才可以；為了降低移動通 信的成本，便于熱控制，所以效率也應當提高；另外在 3G 移動通信系統(tǒng)中， 數(shù)據(jù)的傳輸速率應當要達到 3Mbit/s，每個單獨的信號帶寬應該達到 6MHz，這 樣就需要其應當具有寬帶特性；以上這么多問題，都是我們需要對未來射頻功 率放大器的提高，只有這樣才能跟得上時代的進步。 在設計放大器的過程中，我們需要進行穩(wěn)定性分析，選擇合適的晶體管類 型，目前，針對第三代通信系統(tǒng)開發(fā)的放大器廠家主要有飛思卡爾、菲利浦和 ADI 等。在設計的過程中，要考慮到器件的各個參數(shù)性能，從而便于我們使用 更好的偏置電路。 1.3 本文主要工作和內容安排 本文通過對射頻電路和射頻電路相關指標的介紹，以及功率放大器的分類 和各個參數(shù)分析。對放大器進行了系統(tǒng)的分析和研究，，說明了整個設計過程， 最后根據(jù)要求的指標設計出了具有高線性度的AB 類射頻功率放大器。 第一章是文章的前言部分，簡明扼要的介紹了所選課題的目的，并給出了 放大器當前在國內和國外的發(fā)展現(xiàn)狀，給大家一個對于功率放大器的初步認識。 第二章系統(tǒng)的介紹了射頻電路基本理論，通過了解射頻電路理論，掌握相 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 3 關電路知識，同時介紹了射頻電路中常見的參數(shù)。 第三章給出了射頻功率放大器的基本原理，對研究中使用的仿真軟件ADS 做了簡單介紹。 第四章是設計功率放大器的具體流程，給出了每一步的設計步驟，同時給 出了電路圖以及仿真優(yōu)化結果 第五章是全文總結，總結了設計功率放大器研究過程中所遇到的問題，以 及對本次設計自己的一些見解與看法。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 4 第二章 射頻放大電路設計的基本理論 2.1 射頻電路設計簡介 在一個無線通信系統(tǒng)中，只有前端的一小部分電路工作在射頻頻段，其余 的電路都是進行低頻的基帶模擬。一般而言，射頻前端電路包括射頻功率放大 器等電路。盡管這部分電路的器件數(shù)量比基帶電路少很多，但是仍然是整個無 線通信系統(tǒng)成敗的重要因素。 射頻電路設計要求電路設計要求電路設計者掌握多學科領域的相關知識。 比如通信原理、微波原理、集成電路設計等，這些學科的知識在一定程度上互 不關聯(lián)，但從射頻系統(tǒng)的宏觀層面上又緊密地聯(lián)系在一起；通信原理為系統(tǒng)構 架了基本的調制、解調和基帶數(shù)字信號處理方案接收、發(fā)送機系統(tǒng)設計規(guī)劃了 接收機、發(fā)送機的結構，集成電路設計理論實現(xiàn)了射頻系統(tǒng)所需要的每一個芯 片，因此隨著射頻系統(tǒng)設計向著更高的集成度、更低成本、更先進的解決方案 方向發(fā)展，射頻工程師所要準備的知識量大大增加。 與模擬集成電路設計的八邊形法則類似，射頻電路設計需要在較寬的動態(tài) 范圍和較高的頻率下進行模擬信號處理，因此射頻電路設計也有著自身的六邊 形法則。 除了基站、手機這些人們早已熟知的通信產(chǎn)品之外，射頻電路技術還不停 地擴展新的消費和工業(yè)領域，比如：無線局域網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)、射頻標簽、 物聯(lián)網(wǎng)等。 2.2 器件模型 在常見的設計中，往往需要用到低噪聲放大器，射頻功率放大器以及有源 混頻器等器件。 多年來，已經(jīng)出現(xiàn)了許多有源器件的模型。從信號大小上可分為大信號模 型和小信號模型。場效應晶體管模型中的射頻模型又分為JFET的大(小)信號模 型、MOSFET大( 小)信號模型、GaAs MESFET大(小)信號模型等。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 5 2.2.1 非線性雙極型器件模型 因為雙極型晶體管可被考慮為相互作用的 PN 結對，模擬它的非線性特性 的途徑與模擬二極管模型是相同的。被定義為: (2-1)?? ??????????????TbcTπsatce VexpI= 式中， 是雙極晶體管飽和電流， 是熱電壓，由下式計算sat T (2-2)qk=VT 上式中，q 表示電荷， T 為絕對溫度，單位是開爾文，k 代表玻爾茲曼常 數(shù)。 圖 2-1 大信號 Ebers-Moll 模型 2.2.2 非線性場效應晶體管器件模型 在信號與系統(tǒng)的概念中，如果一個系統(tǒng)的輸出可以表示為每個輸入所對應 輸出的線性疊加，那么我們稱這個系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，即對于輸入 和 ，）t（x1）（ 2 有其對應的輸出 和 ，且可以表示為 和）t（y1）（ 2 ）（y）t（x11? 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 6 ，那么對應任意常熟 a，b 有：）t（y）（x22? （2-）t（by）（）t（x）（a2121 ??? 3） 因此，如果系統(tǒng)不滿足式 2-3，則為非線性系統(tǒng)。 在射頻電路中，由多種各樣的有源器件所構成的“線性”放大器，因為有 源器件的特性是非線性的，所以這也就導致了總會出現(xiàn)許多不同的失真現(xiàn)象。 在功率放大器中，只有在輸入信號相對比較小時，放大器才可以近似看作 是一個線性系統(tǒng)；每當輸入信號幅度不斷增大時，系統(tǒng)會逐漸顯現(xiàn)出非線性。 非線性會對系統(tǒng)產(chǎn)生一些不利的影響。這些影響主要包括諧波、增益壓縮、阻 塞、互調以及交調效應。 2.3 傳輸線理論 在電路理論中存在一個假定：當我們不考慮導線的粗細和長度時，電壓和 電流在我們所研究的導線上是不一樣的，有著很大的區(qū)別。傳輸線理論即就是 導線長度和波長可比，導線長度方向，電壓和電流也是不相等的，傳輸線是場 分析與基本電路理論相聯(lián)系的通道。隨著工作頻率的升高，波長會不斷減小， 當波長可與電路的幾何長度互相比較時，傳輸線上的電壓與電流會隨著空間位 置的變化而不斷發(fā)生著變化，使得電壓與電流呈現(xiàn)出波動性，這與低頻電路恰 恰不同。封裝引線兩端電壓電流由于所謂的長線效應而有較大區(qū)別，電路設計 時必須考慮。下面介紹一下傳輸系統(tǒng)的分類： 傳輸系統(tǒng)是用來傳輸電磁能量的線路，和低頻段不同，射頻微波傳輸線的 種類繁多，從大類上分有三種： （1） TEM 波傳輸線，包括微帶傳輸線。 （2） 波導傳輸線，比如矩形和橢圓波導。 （3） 表面波傳輸線，如常見的介質導波和單根線。 1、雙線傳輸線 作為 TEM 波傳輸線之一，雙線傳輸線能將高頻電能從一點傳到另一點。 導線輻射損耗非常之高，所以雙線是有有一定范圍地應用在射頻領域。必須考 慮分布電路特性。 2、同軸線 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 7 傳輸線更為普遍的例子是同軸線，中心的銅芯用來傳送高電平的，它被絕 緣材料纏繞著；傳輸?shù)碗娖绞褂猛鈬慕饘俦觼韨鬏敚瑫r起到隔離作用。 當其頻率增加到 20Ghz 時，近乎全部的檢測裝置的外接線都為同軸線，在同軸 線中，往往外導體是接地的，因此輻射損耗和場外干擾非常小，同軸線中介質 材料為聚乙烯。 3、微帶線 微帶線是當今相對用途廣泛的一種平面?zhèn)鬏斁€，它可以通過使用光繪文件 來加工，并且容易與其他無源或者有源的微波器件集成。微帶線是準 TEM 模 式，它的相速和特征阻抗可以由靜態(tài)或準靜態(tài)解獲得。微帶線又稱為非對稱微 帶或標準微帶，是一種單接地板介質傳輸線。它是由雙導體傳輸線逐漸變化過 來的，即用一個非常薄的理想導體板進到雙導體內，把其中一側的圓柱移去， 再把留下的導體改成帶狀，并在它與金屬板間加入介質材料構成，微帶線的電 力線分布是左右對稱，上下不對稱，反之帶狀線則是左右對稱，上下也對稱， 所以微帶線也稱為非對稱微帶線。 微帶線適合制作集成電路的平面結構傳輸線。 其重量輕，成本低。 傳輸線方程是描述傳輸線上的電壓和電流的運動狀態(tài)，和它們之間的緊密 聯(lián)系。對于一個傳輸線，其電壓與電流關系如下式： （2-t/），z（i）t，z（i/）t，z（v- ??????LR 4） （2-），（v），（Gv），（iC 5） 傳輸線方程即就是公式 2-4 和 2-5。傳輸線正弦信號源的一個源端接角頻率 為 ω，傳輸線上 V 和 I 的可表示如下： （2-??jwteV(z)Rtv(z,? 6） （2-jwtIi 7） 于是即可得傳輸線方程： （2-IRV）jwL（dz/-?? 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 8 8） （2-VCGI）jw（dz/-?? 9） 上式中， 是單位長度的串聯(lián)阻抗， 是傳輸線單位jwL+R=Z jwC+G=Y 長度的并聯(lián)導納。 2.4 史密斯圓圖 在射頻微波工程中，最基本的運算是反射系數(shù) 、阻抗 Z 和駐波系數(shù)? VSWR 之間的關系，它們是在已知特征參數(shù)：特征阻抗 、相移常數(shù) 和長度0? L 的基礎上進行。史密斯圓圖是把特征參數(shù)以及工作參數(shù)有效的連接在了一起。 從 20 世紀初期史密斯圓圖的出現(xiàn)以來，因為它的簡單，方便和直觀等特點，這 么多年就一直保留了下來。史密斯圓圖同時也稱為阻抗圓圖，史密斯圓圖的基 本思想有如下三條所描述： （1）特征參數(shù)歸一化思想是形成史密斯圓圖的重要所在，其包含了阻抗歸 一化以及電長度歸一化。阻抗千變萬化，現(xiàn)在用特征阻抗歸一化，統(tǒng)一起來進 行研究。在射頻系統(tǒng)中，一般認為特征阻抗 為 。電長度歸一化不僅包含0Z?5 了相移常數(shù)，而且隱含了角頻率。 （2）以系統(tǒng)不變量 作為史密斯圓圖的基底。在無損耗傳輸線中， 是系? ? 統(tǒng)的不變量，所以由 從 0 到 1 的同心圓作為史密斯圓圖的基底，使我們可能 在一個有限空間表示全部工作參數(shù) 、Z 和 VSWR，以公式表示為： （2-???j）2-（jz2-j ee）（ i????? 10） 其中， 的周期是 。??/1 （3）將阻抗、駐波比關系嵌套在 圓上。此時史密斯圓圖的核心想法可? 以說明是：消去特征參數(shù) ，把 歸于 相位；工作參數(shù) 為基底，同時包含0Z?? 了 Z 和 VSWR。 一個典型的史密斯圓圖是電阻圓和電抗圓的組合，在阻抗圓圖的上半部分 中，x 為正數(shù)，意思是阻抗為感性。阻抗圓圖的下半部分 x 負數(shù)，意思是阻抗 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 9 為容性。圓圖上的任何一點映射著一個反射系數(shù)以及一個歸一化的阻抗 Z。 史密斯圓圖可以廣泛應用于射頻微波放大器，振蕩器，阻抗匹配等多種射 頻電路中?？梢岳盟鼇硗瓿芍T如讀取阻抗，導納，發(fā)射系數(shù)等參數(shù)指標，也 可以通過進行 LC 和傳輸線匹配，解決電路中的問題所在，同時處理電路增益 與平穩(wěn)系數(shù)等工作。 2.5 S 參數(shù) 射頻放大電路中，低頻時選擇的斷路、短路試驗法則已經(jīng)不能再適用下去， 這是由于工作頻率很高時，短路的傳輸線會產(chǎn)生電抗效果，斷路相當于電容。 射頻電路研究中一般采用散射參數(shù)法，即選擇 S 參數(shù)，使用二接口的分析方法 以此來確定射頻器件的特征。 使用入射電壓波和與其對應的反射波的做法確定網(wǎng)絡中的進出關系即就是 S 參量法。如下圖 2-2，端口 1 的入射波為 ， 為端口 1 的反射波， 為端1ab2a 口 2 的入射波， 為端口 2 的反射波。2b 圖2-2 二端口網(wǎng)絡 圖2-3 S參數(shù)模型 圖 2-3 為 S 參數(shù)模型。S 參數(shù)定義為： 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 10 （2-端 口 入 射 波1端 口 反 射 波ab012?S 11） （2-端 口 入 射 波1端 口 反 射 波ab012?S 12） （2-端 口 入 射 波2端 口 反 射 波ab021?S 13） （2-14端 口 入 射 波2端 口 反 射 波ab021?S ） 在兩端口網(wǎng)絡中，S 參數(shù)的實際表示為： 是輸出端口 2 匹配時輸入端口1S 1 的電壓反射系數(shù)； 是端口 2 匹配時正向電壓傳輸系數(shù)，相當于一個方向的21S 電壓增益，經(jīng)過兩兩互乘之后得到正向功率的增益； 為端口 1 匹配時網(wǎng)絡反12 向電壓傳輸系數(shù)，也就是所謂的反向電壓增益，平方后可以得到反向功率增益； 是端口 1 匹配時端口 2 的電壓反射系數(shù)。2S 2.6 穩(wěn)定性 在功率放大器的實踐中，穩(wěn)定性問題是這之間最重要的事情，如何保持一 個電路穩(wěn)定，是必須解決的。當電路穩(wěn)定之后，其余的參數(shù)才能給予考慮。造 成一個電路有很大起伏的原因多種多樣，這之間其核心作用的是晶體管 S 參數(shù) 等指標。 進行一個放大器設計前，首先應當確定晶體管有沒有具有穩(wěn)定。了解一個 電路是否具有穩(wěn)定，定義公式是: （2-21 21-SK??? 15） 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 11 （2-???-122SB 16） （2-2122 17） 其中， 2121-SS??? 如果 K1，B0 都符合的前提下，那么這個電路則具有了穩(wěn)定性，若是沒 有符合上述要求，即電路里有著一些影響電路不穩(wěn)定的條件，此時就需要想辦 法使得電路穩(wěn)定。本次做放大器采用的 ADS 軟件，在軟件中我們就用上面的公 式法 K，B 來判斷電路是否穩(wěn)定。在仿真控件面板中。 StabFactl 相當于 K，判 斷 StabFactl 是否大于 1 就行。StabMeasl 則為 B，StabMeasl 大于 0 即可。 圖 2-4 表示的就是在實踐中往往用到的穩(wěn)定方法。我們應當關注的是，在 設計電路中，穩(wěn)定電路一般是加在輸入端口中，因為在輸出端口會有較大的功 率消耗，但在小信號放大中，輸入端在加入電阻之后會使噪聲增加。此外，輸 入端加入電阻后會在某些頻段引起增益損失，一般需通過加入 RC, RL, RCL 選 頻網(wǎng)絡加以改善以滿足設計要求。 圖2-4 放大電路常用穩(wěn)定措施原理圖 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 12 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 13 第三章 功率放大器的基本原理和參數(shù) 射頻功率放大器（RFPA）于一定程度上確定了通信系統(tǒng)的好壞，為了使讀 者對放大器有一個概念上的掌握和理解，本章首先介紹功率放大器的基本原理， 再介紹一些設計指標參數(shù)，了解了電路原理的基礎上，才能更好地使用 ADS 進 行電路設計和仿真。 3.1 功率放大器基本原理 功率放大器的種類：傳統(tǒng)上，由于射頻功率放大器放大信號的模式，功率 放大器大致上分為兩個大類：在兩種模式下，分別是放大模式功率放大器和開 關模式功率放大器。常見的功率放大器分為 A 類、 B 類、C 類和 AB 類功率放 大器。對雙極型晶體管而言，開關工作模式功率放大器根據(jù)雙極型晶體管所處 的端電壓狀態(tài)，工作在截止區(qū)及飽和區(qū)；相對于場效應晶體管看，開關工作模 式功率放大器根據(jù)場效應晶體管所處的端電壓狀態(tài)，工作在截止區(qū)或線性區(qū)。 開關模式射頻功率放大器又可以分為 D 類、E 類以及 F 類功率放大器。本文主 要說明一下 A、B、C 和 AB 類功率放大器。 （1）A 類功率放大器 A 類射頻功率放大器為所有功率放大器中線性是最高的，在 A 類工作狀態(tài) 下，晶體管在信號的整個周期內都是導通狀態(tài)，導通角為 360°。如圖 3-1，直 流偏向點往往定在截至點和飽和點的之間這塊范圍。此類功率放大器的優(yōu)點是 有著良好的線性度、失真相對小，而其缺點是效率很低、尺寸大并且有較高的 熱消耗，其效率最高只是 50%。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 14 圖3-1 A類放大器的特性曲線 （2）B 類功率放大器 B 類功率放大器由兩個不同類型的晶體管構成。當輸入信號在正半個周期 范圍時，NPN 晶體管導通，PNP 晶體管截止；當輸入信號在負半周期范圍時， PNP 晶體管導通，NPN 晶體管截止。這樣在整個信號周期內，兩個晶體管可以 交替工作，輸出電流和電壓波形仍然會保持完整。每個都只有半個周期打開， 因此導通角為 180°。由于 B 類功率放大器的晶體管，在一整個周期信號內沒有 相聯(lián)系，所以相對于 A 類放大器，晶體管的靜態(tài)損耗相對較低，效率則要比 A 類稍高一點。 圖3-2 B類特性曲線 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 15 （3）C 類功率放大器 C 類功率放大器導通角比 180°還要低，在晶體管內部，很小一部分是連接 著的，而且電流也只是很小的一點。每當信號有失真現(xiàn)象出現(xiàn)，晶體管是工作 在非線性區(qū)，因此通常應當采用一些措施來處理諧波分量。C 類射頻功率放大 器的最大效率在實際上應當可以非常高，接近 1，然而導通角為 0°，也就是當 一個晶體管處于截止狀態(tài)時候，并沒有功率的輸出。 圖3-3 C類特性曲線 （4）AB 類功率放大器 AB 類射頻功率放大器，顧名思義，和 A 類，B 類放大器有很大的聯(lián)系， 它是處在 A 類和 B 類功率放大器中一種，無信號輸入時，當有一個靜態(tài)偏置電 流存在，AB 類放大器在輸入信號的大半個周期都處于導通狀態(tài)，此類放大器 導通角在 180°～360° 之間。因此 AB 類射頻功率放大器是一個相對優(yōu)缺點比較 均勻的一種放大器，效率與線性度很好折中在一起。這次畢業(yè)設計我所選擇的 功率放大器就是一個 AB 類功率放大器。 3.2 功率放大器的性能參數(shù) 功率放大器的作用主要是放大射頻信號到我們所需要的功率，使接收機可 以接收到信號，因此功率放大器是通信系統(tǒng)中所必須要有的，功率放大器的參 數(shù)有輸出功率、功率增益、效率和線性度等，線性度又包括增益壓縮，諧波失 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 16 真等，每一個參數(shù)都決定了最終系統(tǒng)的好壞。 3.2.1 輸出功率 輸出功率( 或 )是反映功率放大器對外輸出能力的指標，通常有最大 OUTPL (飽和)輸出功率 ( )和 1dB 壓縮點輸出功率( )兩種。根據(jù)功率傳輸特征可SA BPd1 以得到，任何一個設備都有一個自己的活動范圍，一定程度內它們的輸入和輸 出功率保持逐步增加的性態(tài)。對于一個 PA，在操作過程中為使其有相對較大的 輸出能力，所以我們往往讓他們在非線性區(qū)工作，這一點非常重要。當 PA 的 輸入功率上升到一定范圍時，放大器輸出功率的上升狀態(tài)也會停止；當輸出功 率比線性遞增時能到達的功率小一些時，例如小 1dBm，該輸出功率就被叫做 1dB 壓縮點輸出功率；如果要繼續(xù)增大放大器輸出功率，就會達到一個位置， 在這個位置輸入功率即使繼續(xù)增加，輸出功率也不再會加大，該位置的輸出功 率就稱為最大輸出功率( )或飽和輸出功率，它是射頻功率放大器的一個非常SATP 重要的指標。常見的功率的表示單位有瓦(W)、毫瓦(mW )等。常見的輸出功率 之外，還有輸入功率，和表示進出端口連接性能好壞的信源資用功率，網(wǎng)絡可 用功率等等。 3.2.2 功率增益 功率增益對一個放大器的直接影響是反映了放大器的功率放大能力，他是 衡量放大器整體性能好壞的一個關鍵因素，通過功率增益可以看出一個放大器 是否穩(wěn)定。功率增益是輸出功率與輸入功率的比值，表達式為： （3-inoutaPG? 1） 功率增益的單位是 dB，另外一種表示方法是對數(shù)表示，3-2 所示 （3-）dBm（-）（）dB（aininoutPG? 2） 國際上，對功率增益在一個通信系統(tǒng)中并沒有一個完全標準的方法表示， 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 17 由于功率增益對于功率放大器是一個非常重要的影響因素，因此功率增益必須 在一定范圍內才可以，一個功率放大器能輸出多大的功率，這個放大器也應當 具有相同的功率增益才可以。比方一個放大器僅有 10dBm 的功率，那么這個功 率放大器也只能有 10dBm 的功率增益才行。 3.2.3 效率 功率放大器集電極的射頻輸出功率和直流功耗的比值，這是集電極最大效 率的定義，在 A 類、B 類、C 類功率放大器中可以表示為： （3-）cos-in（42max??? 3） 式中，2 是功率放大器一個 2 周期的導通角。根據(jù)式 2-3 可以得到 A?? 類功率放大器的效率最大為 50%,同理 B 類為 78.5%，C 類為 100%。在 A 類到 C 類功率放大器的過程中，它們的效率從 0.5 上升到 100%，而從輸入端傳到負 載上的功率卻逐漸變小到 0，根據(jù)這個可以推出公示 3-4： （3-?cos-12inmax?P 4） 除此之外，功率附加效率也是重要的參考，功率附加效率的表達式如 3-5 所示： （3-toal，dcinu-PAE? 5） 3.2.4 線性度 線性度是衡量功率放大器輸出信號與輸入信號比值的線性關系的參數(shù)。在 設計放大器過程中，當放大器工作在大信號狀態(tài)時，我們必須要考慮晶體管的 非線性效應。 （1） 增益壓縮 當功率放大器的輸入信號幅度在某一范圍內變化時，輸出信號的幅度與輸 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 18 入信號的幅度會呈現(xiàn)線性關系，即功率增益保持恒定。但隨著輸入信號幅度的 增加，晶體管的工作區(qū)域由線性區(qū)會轉向飽和區(qū)，出現(xiàn)非線性失真，功率放大 器的增益開始下降，或稱其為壓縮。通常用功率增益比線性增益小 1dB 時的功 率點來衡量一個功率放大器的線性度，這個點稱作 1dB 壓縮點。 （2） 諧波失真 諧波失真是衡量功率放大器的一個重要指標，它是指當功率放大器輸入單 一信號時，在輸出端，除了基頻信號被放大以外，原信號的各次諧波也被放大， 導致可能干擾其余的頻帶，這樣的情況下通常需要通過加匹配網(wǎng)絡進行諧波抑 制才可以。 （3） 交調失真 交調失真指的是每當射頻功率放大器輸入端的頻率相差非常小時，這個時 候會出現(xiàn)因為輸入信號的和差而產(chǎn)生的交調失真信號。如圖所示，其中，三階 交調失真（IMD3）因其頻率與載波頻率很近，難以用濾波器消除，容易產(chǎn)生干 擾臨近頻率，對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的危害。比如下圖中有兩個不同頻率的輸入信號 和 ，由于功率放大器具有非線性，輸出信號中將會出現(xiàn)很多很多新產(chǎn)生的1f2 分量，如圖 3-4 所示。 （m 、n=0 、1、2……） 21nfm? （3-6） 圖3-4 放大器的交調失真 每個分量分別稱為其 m+n 階交調分量。上例其 m+n 階交調系數(shù)是： 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 19 （3-）dBc（log10inmnmPM??? 7） 三階交調失真的定義的基頻信號的輸出功率和三階交調信號的功率相比之 后的取值，即： （3-12f-1f3PIMD? 8） 式中，功率采用 dBm 為單位，IMD3 的單位為 dBc，dBc 即就是基頻信號 的輸出功率與三階交調信號 dBm 的差值。 三階交調點（IP3）的定義是是基頻信號功率和三階交調信號功率的虛擬延 長線上相交的點，這個點就是三階交調點。一般而言，三階交調點的功率大約 比 1dB 壓縮點的功率要高 10dBm。 （4） 錯誤向量幅度 發(fā)射機發(fā)射的信號除了不在相鄰通道內產(chǎn)生影響外，對它的本質要求是通 道內的信號具有很高的質量，能被接收機準確解調。錯誤向量幅度（EVM ）就 是為了衡量發(fā)射機的信號質量而引入的參數(shù)。EVM 就是發(fā)射機發(fā)射信號錯誤向 量的歸一化長度。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 20 第四章 射頻功率放大器的仿真設計與分析 4.1 射頻功率放大器的設計概述 4.1.1 功率放大器的設計步驟 功率放大器設計通常需要以下幾個步驟。 （1） 確定指標，選擇工藝并添加設計所需的工藝庫。 （2） 按照我們對此放大器的要求與我們所選擇的相應晶體管的特性決定 它的靜態(tài)工作點。 （3） 進行功率放大器的電路設計。 （4） 對所設計電路進行仿真，分析仿真曲線并優(yōu)化。 4.1.2 功率放大器的指標 AB 類功率放大器是功率放大器中最常見的一種類型，它較好的利用了效 率和線性度的折中進行設計。本章就以一個 AB 類功率放大器來說明如何使用 ADS2009 軟件進行功率放大器的設計，設計的 AB 類功率放大器指標為： 工作頻率：900MHz。 1dB 壓縮點輸出功率：35dBm。 增益： 20dB。 確定設計指標后，就可以進行功率放大器的設計和仿真了。 4.2 射頻功率放大器仿真設計軟件的介紹 自二十世紀末期開始，射頻微波技術已經(jīng)慢慢轉移到了平面電路方向，美 國安捷倫(Agilent)公司推出的大型 EDA 軟件 ADS 因為其便捷的操作和操作多 樣性，使得越來越多的人認識并了解，為眾多射頻電路愛好者提供了一個專業(yè) 的設計電路工具，ADS 軟件包含了多種 EDA 軟件的好處，計算精確，設計功 能全面且易于操作，在最重要的仿真方面，可以進行時域仿真，頻域仿真，模 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 21 擬電路，數(shù)字電路仿真等多種多樣的電路仿真，總之，ADS 軟件是一個業(yè)界非 常優(yōu)秀的軟件，得到了眾多人們的支持。 ADS 軟件能實現(xiàn)系統(tǒng)、電路、全三維電磁場仿真，并且可以與其他仿真軟 件以及安捷倫測試儀器進行連接仿真驗證，可以使設計者在繁雜的系統(tǒng)、電路 中快速的完成電子設計并通過測試。 ADS 是射頻放大電路初學者和愛好者最初都會用的設計工具，它功能的強 大亦無須多談，下面簡要的介紹幾個 ADS 仿真軟件的功能： （1） 線性仿真器：頻域電路仿真器，用于進行 S 參數(shù)，直流和交流小信 號仿真。 （2） 射頻系統(tǒng)仿真器：使用精確的模塊級模塊對整個射頻系統(tǒng)進行建模 （3） 13 類優(yōu)化器：可對設計進行優(yōu)化，實現(xiàn)最佳的產(chǎn)品性能 （4） 連接管理器：用于安捷倫測試儀器進行雙向數(shù)據(jù)傳輸 4.3 射頻功率放大器的仿真 現(xiàn)代移動通信的發(fā)展對移動終端的要求變得越來越高，本文中設計了一個 工作在 900MHz 的 AB 類功率放大器。我選擇了飛思卡爾公司的 LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)功率管 MW6S010N，通過對管子 所進行直流工作點的仿真、設計偏置電路以及匹配電路、對匹配電路進行優(yōu)化、 諧波平衡仿真，通過這些設計步驟，最終可以得到我們所設計的 AB 類功率放 大器的工作點偏置、S 參數(shù)、輸入電壓、輸出電壓、功率附加效率，增益等放 大器的性能指標，從而完成設計放大器。 4.3.1 靜態(tài)工作點的選擇 選擇功率放大器的工作狀態(tài)確定靜態(tài)它的工作點，在 ADS 元件面板中入 MW6S010N 模型庫，然后根據(jù) ADS 仿真軟件操作步驟建立如圖 4-1 所示的直 流仿真電路圖，并進行仿真。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 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=0SimInstanceName[6]= SimInstanceName[5]=SimInstanceName[4]= SimInstanceName[3]=SimInstanceName[2]= SimInstanceName[1]=“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 圖4-1 直流掃描電路 仿真結果為： 圖4-2 MW6S010N晶體管的I-V曲線圖表 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 23 根據(jù)MW6S010N的數(shù)據(jù)表，漏極直流電壓為3V，作為AB 類的功率放大器， 因此選擇 V，靜態(tài)工作電流為 A。和數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)相比，2?GS 476.1?DSI 電流取的相對比較大，這是為了可以獲得更好的線性度。 4.3.2 偏置及穩(wěn)定性分析 用軟件找出 MW6S010N 的偏置電路模型，從 ADS 軟件元件面板中調出 MW6S010N 以及飛思卡爾識別控件，添加了元件之后的原理圖如圖 4-3 所示， 圖4-4 穩(wěn)定性掃描原理圖 然后仿真，如圖4-5所示： 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 24 圖4-5 穩(wěn)定因子隨頻率變化曲線 可看到在900MHz時，StabFact1 ，即穩(wěn)定因子K1，功率管在整個帶內穩(wěn) 定。從仿真結果可看出，低頻時由于寄生效應的影響，K1，可能會發(fā)生振蕩。 所以在設計過程中，要用一些措施對放大器進行處理，使它可以穩(wěn)定的工作。 如果穩(wěn)定因子小于1，則晶體管有可能會發(fā)生震蕩，所以要采取一定的穩(wěn)定措施 來使晶體管處于穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定措施有很多很多，常用的一種是在晶體管的柵 極加入一個小電阻，然而電阻的加入會導致增益和功率的降低，所以可以在電 阻上并聯(lián)一個電容來減小損耗，本次穩(wěn)定因子大于1，所以不需要采取穩(wěn)定措施。 4.3.3 輸入輸出匹配 阻抗匹配網(wǎng)絡設計是成功地設計射頻功率放大器的關鍵所在。本文將采用 負載牽引法設計輸入輸出阻抗匹配網(wǎng)絡。 4.3.3.1 負載牽引設計方法 在進行阻抗匹配設計之前，先簡單介紹負載線與共軛匹配的區(qū)別。當不考 慮信號源的物理限制時，共軛匹配確實是可以使負載上得到最大功率，我們可 以通過共軛匹配獲得最大功率值，但是真正的情況是晶體管常常要受到各種條 件的限制和影響。相反，負載線匹配方式則主要考慮到了電路實際工作時可能 出現(xiàn)的最極端的情況，即一個信號源的最大承受電壓 和最大輸出電流 。maxVmaxI 當一個信號源的輸出電流受到相應的限制時，信號源所能輸出的電壓就會很小， 負載上的功率也會很?。涣硗庖环N情況，當信號源的輸出電壓受到一定的限制 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 25 時，信號源所能輸出的電流就會變得很小，負載上的功率相對應的也會非常小。 在進行功率放大器設計時，確定通常采用Loadpull曲線來獲得輸出端匹配 電路的阻抗值。Loadpull 曲線是輸出功率隨負載阻抗變化的曲線，通過該曲線， 即可獲得最大功率輸出時的阻抗點。Loadpull曲線可以通過ADS 的Loadpull仿真 獲得。 4.3.3.2 負載牽引設計 Load-Pull 圖4-6 修改好的Loadpull仿真電路原理圖 在ADS中先插入Load-Pull模板，將FET模型替換為 MW6S010N模型，然后 運用負載牽引法確定Load-Pull的范圍，并結合Smith 圓圖進行匹配，最后生成匹 配電路。 將匹配電路經(jīng)過仿真，如圖4-7，4-8： 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 26 圖4-7 Load-pull仿真 圖4-8 Source-pull仿真 從仿真結果中可以看出，功率圓和效率圓都沒有完全顯示，這就需要在仿 真前調整Loadpull 掃描點范圍，Loadpull 掃描參數(shù)確定后再重新仿真。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 27 圖4-9 待匹配電路圖 阻抗匹配電路決定了功率放大器輸出至負載的最大功率，是射頻功率放大 器電路設計中的一個重要環(huán)節(jié)，根據(jù)前面的電路圖組成待匹配的電路圖，如圖 4-9所示，輸入和輸出匹配完成之后即可對各項電路參數(shù)進行掃描。 4.3.4 諧波平衡仿真 完成所有原理圖電路后，就可以對它性能參數(shù)仿真了，我們采用諧波平衡 法仿真，插入諧波平衡仿真模板，對HB仿真控制器對其進行設置，在 Sweep欄 中的Parameter to sweep處填入RFpower，掃描范圍為0～30dBm，步長為0.2dB。 如圖4-10 ： 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 28 圖4-10 HB仿真電路原理圖 通過對HB仿真電路圖的仿真，我們可以得到功率放大器的各個參數(shù)曲線， 對該電路圖進行仿真： 圖4-11 輸出功率仿真曲線 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 29 圖4-12 增益壓縮仿真曲線 從上面的仿真圖可以看出來，在輸入功率為30dBm時，功率放大器的輸出 功率、1dB 壓縮點、附加效率均不符合要求，增益也嚴重偏低。因此，必須對 電路進行優(yōu)化設計，以達到要求。 4.3.5 電路優(yōu)化設計 將匹配電路通過 ADS2009 軟件進行仿真，我們可以用微帶線匹配方式以及 LC 元件連接電路兩種電路匹配方式。此次我們設計此 AB 類功率放大器所使用 的是 LC 元件連接電路的匹配方式來進行此次設計。 在原理圖窗口選擇一個優(yōu)化控制器插入原理圖中，此例中我們主要對 進21S 行一下優(yōu)化，將輸入匹配的電感和電容分別改為變量值L1和C1 作為優(yōu)化對象， 在原理圖中加入一個變量控制器，完成設置后進行仿真，仿真結束后自動彈出 優(yōu)化后的仿真結果，如圖4-13所示， 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 30 圖4-13 優(yōu)化后的仿真結果21S 可以看到功率放大器在900MHz時，增益為22.180dB ，達到了我們預先的要 求。 在原理圖工具欄中將仿真控件和目標全部失效，重新進行掃描即可得到此 時的S參數(shù)及諧波掃描結果，如下圖所示。 圖4-14 輸出功率仿真曲線 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 31 圖4-15 增益壓縮仿真曲線 在上圖中的功率放大器最終仿真結果中，我們可以看到此功率放大器在 900MHz時輸出最大功率譜信號，1dB點輸出功率達到 37.500dBm，增益 22.180dB，完全符合我們之前的要求，達到了預期的目標。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計(論文) 32 第五章 全文總結 因為當今通信的飛速發(fā)展，發(fā)射機重要部件之一的功率放大器，其影響越 來越明顯，設計一個性能指標都完美的放大器有著重要的作用，本文當中首先 介紹了一些射頻電路中的相關知識點，然后介紹了功率放大器的類型以及指標 參數(shù)，最后通過 ADS2009 仿真軟件對功率放大器進行了穩(wěn)定性分析，共軛匹配 與負載線匹配，輸入、輸出阻抗匹配，S 參數(shù)以及諧波平衡仿真等，最終成功 設計出了一個滿足事先指標的 AB 類射頻功率放大器。 在功率放大器的設計中，晶體管的選擇至關重要，只有對晶體管選擇合適 的直流點，才能在后續(xù)的設計中大到較好的增益和線性度指標。此外，穩(wěn)定性 設計和阻抗匹配決定了功率放大器在系統(tǒng)中所能進行的工作狀態(tài)，這些都是設 計功率放大器的重點，每一步都應當按照相應的要求完成才行。 總之，基于 ADS2009 分析并設計功