线性微波功放设计

第30卷　第2期

2007年4月

电子器件

Chinese J ournal Of Elect ron Devices

Vol.30　No.2Ap r.2007

LDMOS Linear Microw ave Pow er Amplif ier Design 3

H A N Hon g 2bo ,H A O Yue ,F EN G H ui ,L I De 2chang

1.Research I nst.of Microelect ronics ,X i di an Univ.,X i ’an 710071,China;

2.S chool of Technical Physics ,X i dian Univ.,X i ’an 710071,China

Abstract :LDMOS is widely applied for it s high linearity gain and efficiency.The inp ut and outp ut imped 2ance of MRF18030t ransistor are obtained by 22tone load 2p ull met hod.Matching networks ,which are changed into corresponding MOM EN TUM component s and used in schematic designing wit h well improve 2ment design accuracy ,are designed by t he conjugate match met hod basing on t he analysis of unconditional

stability.A new met hod of carrier complex power series (CCPS ),which accurately calculate t he nonlinear 2ity AM 2AM and AM 2PM synchronously ,has advantage over classical Taylor series in which only t he AM 2AM can be analyzed.In order to eliminate t he nonlinearity of PA ,according to t he expression of inverse CCPS (ICCPS ),a linearizer predistorter ,simple in configuration and easy to implement ,is designed and simulated by using t he nonlinearity of diode.The accurate exp ression of circuit model is deduced and p re 2cise value of amplit ude and angle are obtained.ADS simulation result s show t hat IMD3is improved by 27dB.Finally ,LDMOS microwave power amplifier of high power high efficiency and well linearity is suc 2cessf ully designed.

K ey w ords :LDMOS ;ADS ;power amplifier ;load 2p ull met hod ;conjugate match EEACC :1350H;1220

LDMOS 线性微波功率放大器设计

3

韩红波,郝　跃,冯　辉,李德昌

1.西安电子科技大学微电子研究所,西安710071;

2.西安电子科技大学技术物理学院,西安710071

收稿日期:2006207214

基金项目:国防预研和陕西省发展基金项目资助(Y20050608)

作者简介:韩红波(19812)男,硕士研究生,研究方向为LDMOS 微波功率放大器研究,hhbanl @ ;

郝　跃(19582)男,教授,博士生导师,主要研究方向为超深亚微米VL SI 可靠性理论与设计方法、新型宽禁带半导

体器件与关键技术,以及系统集成设计与设计方法学等;

冯　辉(19612)男,研究员,主要从事微波功率放大器和微电子器件方面的研究.

摘　要:LDMOS 以其大功率、高线性度和高效率等优点得到广泛的应用.采用22tone 负载牵引法得到了LDMOS 晶体管

MRF 18030的输入和输出阻抗.在对晶体管绝对稳定性分析的基础上,运用共轭匹配法设计出匹配网络,并将匹配网络转化

为MOM EN TUM 元件运用在电路设计中,大大提高了设计的准确性.采用载波复幂级数法对PA 的AM 2AM 和AM 2PM 非线性特性进行了准确计算,弥补了传统泰勒级数只能分析AM 2AM 的不足.得到了用来消除PA 非线性的反载波复幂级数.根据所得反载波复幂级数,利用二极管非线性特性设计出一种新的结构简单、易于实现的预失真器,给出其准确的电路模型表达式,得到了幅值、角度等参数的精确值.ADS 仿真结果表明,IMD3改善了27dB.最终,成功设计出大功率、高效率、高线性的

LDMOS 微波功率放大器.

关键词:LDMOS ;ADS ;功率放大器;负载牵引法;共轭匹配

中图分类号:TN 43;TN 722.16 文献标识码:A 文章编号:100529490(2007)022*******

随着3G无线通信和军事领域新标准新技术的迅速发展,对于作为微波通信系统、雷达、电子对抗、宽带频率调制发射机、数字电视发射机等系统核心部件的功率放大器来说,它不仅仅是将信号放大到足够的功率电平,以实现信号的发射、远距离传输和可靠接收,而且对带宽、输出功率、线性度、效率和可靠性方面都提出了更高的要求.功率放大器的好坏成为了制约系统发展的瓶颈.因此对于微波功率放大器的研究和设计有着重要的意义.

为了迎接这些挑战,近50年来人们不断从微波器件和微波技术方面推动微波功率放大器的飞快发展.日前,飞思卡尔采用HV7射频LDMOS技术推出的3.5GHz波段的WiMAX基站RF LDMOS功率晶体管,宣告LDMOS在射频应用方面占据了主要的地位.

LDMOS(Lateral Double diff usion MOS)采用双扩散技术,在同一窗口相继进行硼磷两次扩散,由两次杂质扩散横向结深之差可精确地决定沟道长度.沟道长度L可以做得很小,且又不受光刻精度的限制.由于LDMOS的短沟效应,故跨导、漏极电流、最高工作频率和速度都比一般MOSFET有了很大的提高;在射频应用方面,LDMOS有着更好的线性度、较大的线性增益、高的效率和较低的交叉调制失真[1].同时,LDMOS是基于成熟的硅工艺器件,比起其它的微波晶体管成本可以降低好几倍,正是由于LDMOS有着这么多优异性能,使得LD2 MOS特别适合在新一代移动通信系统基站中作为功率放大管[2].

1　功率放大器(PA)分析与设计

1.1　设计指标

本文以实际项目需要的微波功率放大器为实例,集中讨论了PA分析和设计的过程.该放大器采用MRF18030晶体管来设计,设计的指标为:①工作频率为1.60～1.63GHz;②1dB压缩点输出功率为30W;③功率增益12dB以上;④PA E大于30%,IMD3(三阶互调失真)小于-30dBc.

1.2　负载牵引法

由于厂家提供的MRF18030LDMOS对应于频率范围为1710～2110M Hz的参数不能用来作为本次设计时的最佳源阻抗和负载阻抗.所以本文采用负载牵引法来得到其在1.6GHz的源阻抗和负载阻抗值.为了使功率固态器件在最佳状态下工作,并充分发挥其潜力,对其负载牵引特性进行测量是必需的.通过测量可获得具有重要参考价值的功率等值线阻抗圆图,从而为大功率微波电路的设计提供参考.国内外对这一方面的研究工作很多[3].负载牵引法,原理就是放大器在大信号电平激励下,通过连续变换负载测试输出功率,然后在SM IT H 阻抗圆图上画出等功率和等增益曲线.这样就可以选择适当的输出阻抗准确地设计功率放大器,达到所需的增益和输出功率.同时,为了考虑到线性度,我们采用了双音频负载牵引,这样就可以兼顾功率、效率和线性.

本文中用Agilent ADS软件来完成MRF18030在1.6GHz的源阻抗Z S和负载阻抗Z L的测试.图1为综合考虑输出功率、效率和线性的最佳负载阻抗值Z L =2.98-j9.27.同理可得Z S=1.991-j8.435.下面我

们就可以用得到的Z S和Z L来进行匹配网络设计.

图1　最佳负载阻抗

1.3　稳定性设计

在确定了最佳输入输出阻抗后,进行匹配之前,我们要对功率放大器进行稳定性分析和设计.放大器的稳定性是放大器设计中需要考虑的非常重要的因素,它取决于晶体管的S参数和置端条件.功率放大器的稳定性根据稳定因子来判定,公式如下:

K=

1-|S11|2-|S22|2+|△|2

2×|S12×S21|

>1和

1+|S11|2-|S22|2-|△|2>0(图2中的B1)或者满足下列公式[4]:

[mu-source]={1-S112}/{|S22-[conj](S11)×

[Delta]|+|S123S21|}>1

[mu-source]={1-S222}/{|S11-[conj](S22)×

[Delta]|+|S213S12|}>1

功率放大器是绝对稳定的.如果不稳定就可能发生振荡,则需要采用在输入或者输出端串联或并联或负反馈的方法使晶体管稳定.本次设计中,功率放大器MRF18030的稳定性曲线如图2所示,可见在设计频率范围内是绝对稳定的.

1.4　匹配网络设计

为了向负载传送最大功率或者使微波电路系统或使传输系统处于或者接近行波状态,需要用匹配

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第2期韩红波,郝　跃等:LDMOS线性微波功率放大器设计