高效率功率放大器仿真设计

高效率功率放大器仿真设计

一、指标要求

1.工作频率在1 GHz-3 GHz范围内自由选取，并至少在任意连续150 MHz带宽内都能满足以下指标要求；

2.输出功率大于35 dBm；

3.漏极效率大于60%；

4.最大输出功率点回退6 dB，5 MHz双音间隔测试IM3>30 dBc；

二、设计过程

PA设计的一般步骤一般包括：

a.根据放大器的要求和晶体管特性确定静态工作点，即直流扫描；

b.进行功率放大器的电路设计，包括阻抗匹配、偏置电路等；

c.对设计的功放进行仿真，若性能不达标，重新设计匹配电路等。

1、直流扫描

打开ADS，插入扫描模板，加入Cree的CGH40010晶体管，设置好扫描参数VGS、VDS的范围及步长，仿真观察结果。

图一直流扫描电路图和仿真结果

由上图，选择datasheet给出的典型值VDS=28V，VGS=-2.7V，此时，IDS.i=219MA，与datasheet给出的200MA近似相等。

2、偏置及稳定性分析

插入S参数扫描面板，加入晶体管，设置好扫描参数范围后开始仿真。观察稳定因子stabfact，若其值小于一，可采取稳定措施，使其在工作频率范围内值大于一，确保稳定工作。

图二加入稳定措施的电路及仿真图

3、LoadPull负载牵引及设计输出匹配电路

在原理图中插入Loadpull模板，更改晶体管，设置各类参数，如Pavs、RFfreq、Vhigh、Vlow等，观察仿真结果，若等效率圆和等功率圆圆心不在扫描范围内，返回原理图重新设定扫描圆心及半径，直至等效率圆和等功率圆圆心在扫描范围内。之后调节负载阻抗仿真中工作点位置，使其工作点位置功率和效率接近Loadpull扫描出的功率和效率值。记下输出阻抗。

图三loadpull电路与仿真结果

确定负载阻抗后，运用Smith chart进行匹配。运用Smith chart Match中的匹配空间搭建匹配电路，对输出阻抗进行共轭匹配。利用Smith原图工具进行2原件自动匹配并生成匹配电路。

图四用smith chart设计输出匹配电路

4、Source-Pull及设计输入匹配电路

插入Sourcepull模板，更改晶体管，设置各类参数，如Pavs、RFfreq、Vhigh、Vlow 等，并将输出阻抗调为Loadpull中求出的输出阻抗。参数设置完成后对电路进行仿真，具体方法与Loadpull所介绍的一样。得到合适输入阻抗后用Smith chart 进行匹配，具体方法同输出阻抗匹配一样。

图五sourcepull电路与仿真结果

图六输入匹配电路

5、谐波平衡仿真

搭建谐波平衡仿真电路，加入输入匹配电路、输出匹配电路及谐波平衡仿真控件HRAMONIC BALANCE，输入参数和数据显示函数后进行仿真。由仿真结果可知，PA的功率和效率均超过设计指标要求。

图七谐波平衡仿真电路及仿真结果

6、参数测试

将原理图中所有的控件、电源、Term删除，用Port代替，建立所设计的RF模型插入HB2TonePAE_Pswp模板，将所设计的RF模型加入电路，构建测试电路。输入仿真参数后仿真。

图八IMD3测试图及测试结果

三、课程小节

通过学习现代通信中的发射机技术这门课，我了解了半导体材料、晶体管测量及其模型、晶体管稳定性的基本知识，掌握了各类发射机的基本结构和工作原理，让我对射频功放的认识大大加深了，这为我今后研究射频功放打下了基础。同时，通过这次课程设计，我不仅掌握了ADS软件的常用操作，也掌握了射频功放仿真设计的一般步骤。但由于理论知识的不足，某些细节处理的不是很恰当，某些参数不能理解其用处，还需加强理论知识的学习。

总体来说，这门课还是非常有意义的！