功率放大器设计举例讲解
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例：高效率射频功率放大器设计
本设计的功放性能指标 功率晶体管的选取 电路结构设计 ADS仿真 仿真结果分析 结论
本设计的功放性能指标
工作频率：1860-1870MHz； 增益：53dB±0.5dB； 输出功率：49dBm(80W)； 增益波动：±1.0dB； 线性度：±0.5dB； 驻波系数小于1.5；
33 pF
R2
100 pF
R4
100 pF
R6
100 pF
10uH 10uH 10uH
10uH 10uH
10uH
100 pF
output
input
100 pF
L2 C1 L1
MRF 281S
C3 C2
MRF18085 A
L3
C5 C4
MRF18085 A
L4 C6 C7 L5 C8
驱动级
L型匹配
T 型匹配
VSWR out 1.5 满足驻波系数小于１ .５的指标
输入匹配程度优于输出匹 配程度
结
论
所设计的三级放大电路的工作频率为18601870MHz时，其功率增益在52.308dB53.404dB之间，满足小于±1.0dB的增益波动， 1dB压缩点输出功率大于49dBm,线性度小于 ±0.5dB，同时其输入输出驻波系数均小于1.5 任务中的所有指标都得以满足
不足之处：
① 没有采用预失真技术和前馈技术来等射频技
术来提高功率放大器的效率和线性度 ② 仅对主要的放大器性能进行分析
在1dB压缩点时输出 功率为52.807dBm，
大于任务书指标所要求的 49dBm
功率附加效率PAE为 37.533%
线性度
线性度——直线与 输出功率曲线之间 的差值 在1dB压缩点时虽 然已大于0.5dB 在输出功率小于 52.236 dBm时，线 性度是小于0.5dB
因此从任务指标来看 线性度和输出功率是满 足要求的。
input
33 pF
R1
R2
100 pF
10uH 10uH
100 pF
output
FET
100 pF
旁路电容—电路去耦，可改善电路性能
匹配电路
输入匹配——L型匹配； 级间匹配——T型匹配； 输出匹配——π型匹配；
R1
VDD 26V
33 pF
R3
VDD 26V
33 pF
R5
VDD 26V
放大器电路系统的稳定性
ADS仿真中可用 StabFact模版测K系数 Stab_meas模版测B系 数 在频段1860-1870MHz 内，稳定因子：
K 1, B 0 可判定放大器在工作频 段是绝对稳定的
仿真中也可用 Mu模版测 mu_load系数 MuPrime模版测mu_ Leabharlann Baiduource系数 由稳定因子
仿真结果分析
经过对电路调试和匹配元件优化后，就可得到满足任务指 标的三级放大电路 在ADS中调用了一些相关模版，可对增益、输出功率、 增益波动、线性度、驻波系数、效率和电路的稳定性进行 仿真分析
增益和增益波动
中心频率1.865GHz处的增益是 52.980dB，频率 1.860GHz处的增益为52.308dB，频率1.870GHz处的增 益为53.404dB
功率晶体管的选取
选取时注意的问题： (1)晶体管的适用频率范围； (2)输出功率等特性是否能满足指标； (3)选取性价比高、而资料又较齐全的功率管；
Motorola公司的MRF281S和MRF18085A MRF18085A：工作频带为1.8-2.0GHz，典型输 出功率85W(49.3dBm)、增益15dB、52%的效率， 且最适合AB类放大。 MRF281S：工作频带为1.0-2.0GHz, 典型输出功 率4W(36.0dBm)、增益11dB、30%的效率,适合 于A类和AB类放大。
电路结构设计
AB类放大的优点：输出功率高、增益高、线性度高。 单级功率放大器的增益一般只有10-20dB，要实现53dB 这样的高增益将不得不采用多级放大，通过各级增益叠加 来达到任务的要求，因此本设计拟采用三级放大电路： 驱动级(即第一级)采用浅AB类放大——在获得较高的 增益时以提高整个系统的灵敏度； 中间级(即第二级)采用深AB类放大——在获得较高增 益的同时提高系统的效率； 输出级(即第三级)采用浅AB类放大——在获得高输出 功率和增益的同时提高整个系统的线性度；
功率增益满足设计目标53dB±0.5dB
从工作频带1860-1870MHz来看，最大增益在1.870GHz 处，最小增益在1.860GHz处，与中心频率处的增益 52.980dB相比较可知——最大增益波动值为0.424dB， 最小增益波动值为-0.672dB
增益波动也满足指标±1.0dB
输出功率、效率
中间级
T 型匹配
型匹配
输出级
调谐电路
ADS器件直流仿真分析
当 VDS 26V ,VGS 4.0V 时， MRF18085A的漏极电流约 为2A左右。 当 VDS 26V ,VGS 5.5V 时， MRF281S的漏极电流约有 300mA左右。
功率放大器电路的最终确定
驱动级：浅AB类放大、 VGS 5.5V、分压电阻205Ω，55Ω 中间级：深AB类放大、 VGS 4.0V 、分压电阻220Ω，40Ω 输出级：浅AB类放大、 VGS 5.5V 、分压电阻205Ω，55Ω
电源
输入 输入匹 配电路
MRF281S
级间 匹配
MRF18085A
级间 匹配
MRF18085A
输出级
输出匹 输出 配电路
驱动级
中间级
偏置电路
无源偏置网络：电路简单、易于调试
VDD 26V
漏极偏置—26V 栅极偏置—分压电阻分压 射频扼流圈RFC—隔离交流 隔直电容—隔离直流
mu _ load 1 mu _ source 1
也可判定放大器在工作 频段是绝对稳定的
输入输出驻波系数
输入驻波系数 VSWRin 与输 出驻波系数 VSWRout 分别表 征整个电路的输入网络与 输出网络的匹配程度，其 值越接近于1表明匹配效 果越好 在1860-1870MHz频带内： 输入驻波系数 输出驻波系数VSWRin 1.5
本设计的功放性能指标 功率晶体管的选取 电路结构设计 ADS仿真 仿真结果分析 结论
本设计的功放性能指标
工作频率：1860-1870MHz； 增益：53dB±0.5dB； 输出功率：49dBm(80W)； 增益波动：±1.0dB； 线性度：±0.5dB； 驻波系数小于1.5；
33 pF
R2
100 pF
R4
100 pF
R6
100 pF
10uH 10uH 10uH
10uH 10uH
10uH
100 pF
output
input
100 pF
L2 C1 L1
MRF 281S
C3 C2
MRF18085 A
L3
C5 C4
MRF18085 A
L4 C6 C7 L5 C8
驱动级
L型匹配
T 型匹配
VSWR out 1.5 满足驻波系数小于１ .５的指标
输入匹配程度优于输出匹 配程度
结
论
所设计的三级放大电路的工作频率为18601870MHz时，其功率增益在52.308dB53.404dB之间，满足小于±1.0dB的增益波动， 1dB压缩点输出功率大于49dBm,线性度小于 ±0.5dB，同时其输入输出驻波系数均小于1.5 任务中的所有指标都得以满足
不足之处：
① 没有采用预失真技术和前馈技术来等射频技
术来提高功率放大器的效率和线性度 ② 仅对主要的放大器性能进行分析
在1dB压缩点时输出 功率为52.807dBm，
大于任务书指标所要求的 49dBm
功率附加效率PAE为 37.533%
线性度
线性度——直线与 输出功率曲线之间 的差值 在1dB压缩点时虽 然已大于0.5dB 在输出功率小于 52.236 dBm时，线 性度是小于0.5dB
因此从任务指标来看 线性度和输出功率是满 足要求的。
input
33 pF
R1
R2
100 pF
10uH 10uH
100 pF
output
FET
100 pF
旁路电容—电路去耦，可改善电路性能
匹配电路
输入匹配——L型匹配； 级间匹配——T型匹配； 输出匹配——π型匹配；
R1
VDD 26V
33 pF
R3
VDD 26V
33 pF
R5
VDD 26V
放大器电路系统的稳定性
ADS仿真中可用 StabFact模版测K系数 Stab_meas模版测B系 数 在频段1860-1870MHz 内，稳定因子：
K 1, B 0 可判定放大器在工作频 段是绝对稳定的
仿真中也可用 Mu模版测 mu_load系数 MuPrime模版测mu_ Leabharlann Baiduource系数 由稳定因子
仿真结果分析
经过对电路调试和匹配元件优化后，就可得到满足任务指 标的三级放大电路 在ADS中调用了一些相关模版，可对增益、输出功率、 增益波动、线性度、驻波系数、效率和电路的稳定性进行 仿真分析
增益和增益波动
中心频率1.865GHz处的增益是 52.980dB，频率 1.860GHz处的增益为52.308dB，频率1.870GHz处的增 益为53.404dB
功率晶体管的选取
选取时注意的问题： (1)晶体管的适用频率范围； (2)输出功率等特性是否能满足指标； (3)选取性价比高、而资料又较齐全的功率管；
Motorola公司的MRF281S和MRF18085A MRF18085A：工作频带为1.8-2.0GHz，典型输 出功率85W(49.3dBm)、增益15dB、52%的效率， 且最适合AB类放大。 MRF281S：工作频带为1.0-2.0GHz, 典型输出功 率4W(36.0dBm)、增益11dB、30%的效率,适合 于A类和AB类放大。
电路结构设计
AB类放大的优点：输出功率高、增益高、线性度高。 单级功率放大器的增益一般只有10-20dB，要实现53dB 这样的高增益将不得不采用多级放大，通过各级增益叠加 来达到任务的要求，因此本设计拟采用三级放大电路： 驱动级(即第一级)采用浅AB类放大——在获得较高的 增益时以提高整个系统的灵敏度； 中间级(即第二级)采用深AB类放大——在获得较高增 益的同时提高系统的效率； 输出级(即第三级)采用浅AB类放大——在获得高输出 功率和增益的同时提高整个系统的线性度；
功率增益满足设计目标53dB±0.5dB
从工作频带1860-1870MHz来看，最大增益在1.870GHz 处，最小增益在1.860GHz处，与中心频率处的增益 52.980dB相比较可知——最大增益波动值为0.424dB， 最小增益波动值为-0.672dB
增益波动也满足指标±1.0dB
输出功率、效率
中间级
T 型匹配
型匹配
输出级
调谐电路
ADS器件直流仿真分析
当 VDS 26V ,VGS 4.0V 时， MRF18085A的漏极电流约 为2A左右。 当 VDS 26V ,VGS 5.5V 时， MRF281S的漏极电流约有 300mA左右。
功率放大器电路的最终确定
驱动级：浅AB类放大、 VGS 5.5V、分压电阻205Ω，55Ω 中间级：深AB类放大、 VGS 4.0V 、分压电阻220Ω，40Ω 输出级：浅AB类放大、 VGS 5.5V 、分压电阻205Ω，55Ω
电源
输入 输入匹 配电路
MRF281S
级间 匹配
MRF18085A
级间 匹配
MRF18085A
输出级
输出匹 输出 配电路
驱动级
中间级
偏置电路
无源偏置网络：电路简单、易于调试
VDD 26V
漏极偏置—26V 栅极偏置—分压电阻分压 射频扼流圈RFC—隔离交流 隔直电容—隔离直流
mu _ load 1 mu _ source 1
也可判定放大器在工作 频段是绝对稳定的
输入输出驻波系数
输入驻波系数 VSWRin 与输 出驻波系数 VSWRout 分别表 征整个电路的输入网络与 输出网络的匹配程度，其 值越接近于1表明匹配效 果越好 在1860-1870MHz频带内： 输入驻波系数 输出驻波系数VSWRin 1.5