基于ADS高效率微波功率放大器设计
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第 20 卷 第 20 期 Vol.20 No.20
电子设计工程 Electronic Design Engineering
2012 年 10 月 Oct. 2012
基于 ADS 高效率微波功率放大器设计
胡小军 （电子科技大学 四川 成都 610054）
摘要： 基于 ADS 软件，选取合适的静态直流工作点，采用负载牵引法得到 LDMOS 晶体 管 BLF7G22L130 的 输出 和 输
牙等为代表的个人服务也进入到人们的视野中 ，并 逐 步成 为 供的元件数值是非标称的 ， 所 以需 要 设 计者 用 与 ADS 提供
人类生活中不可替代的通信工具。 同时随着技术日新月异的 的数值接近的标称元件进行替代。
发展 和 人 们通 信 需 求的 增 加 ，无线 通 信 产业 还 将 继 续 向 前 蓬 1.3 负载牵引法设计共轭匹配
入阻抗特性，并通过设计和优化得到最佳的共轭匹配网络，设计出高效率功率放大器。ADS 设计仿真表明该功率放大
器在中心频率 2 160 MHz 处的效率达到 70%，稳定性好、增益平坦度小等优点。
关键词： ADS； 负载牵引法； 功率放大器； 共轭匹配
中图分类号： TN492
文献标识码： A
文 章 编 号 ：1674－6236（2012）20-0148-02
在得到最佳源阻抗和负载阻抗后，需要通过阻抗变换将 之 匹 配 到 50 Ω，本 方 案 采 用 阶 梯 阻 抗 变 换 器 实 现 匹 配 ，利 用 阶梯阻抗变换器中不同阻抗微带线反射波相互抵消的原理， 将源和负载阻抗匹配到 50 Ω。 负载匹配网络如图 2 所示。
1.4 整个放大器模块
图 2 输出匹配网络仿真原理图 Fig. 2 Simulation schematic diagram of output matching network
图 5 工作频带内效率和输出功率曲线 Fig. 5 Curves of effectiveness and output power in working bands 功率在 50 dBm 以 上，可 见 该 功率 放 大 器具 有 很 高的 效 率 ，可 以满足系统设计的需求。
3结论
本设计中对功率放大器设计过程和结果进行了分析，在 ADS 环 境 中 进 行 了 电 路 的 调 试 和 仿 真 ，应 用 了 源 、负 载 牵 引
络对对输出网络的影响，以达到最大的功率输出。 即可将所
整个电路中加入输入和输出匹配网络后， 相互之间都 有电路综合起来进行整体的放大器仿真。其仿真电路图如 3
存在着影响，需要对整个电路进行优化，来补偿输入匹配网 所示。
2 电路仿真与结果分析
图 3 放大器整体仿真原理图 Fig. 3 Schematic diagram of amplifier
Design of high effective microwave power amplifier based on ADS software
HU Xiao-jun （University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054， China）
要求。 因此对于微波功率放大器的研究和设计有着重要是意义。
选择最佳输出阻抗来进行功率放大器设计。
1 功率放大器的设计
按上述确定好的最佳静态直流工作点设置好电路，然后 基 于 ADS 软 件 中 Load-Pull-PAE 对 该 偏 置 好 BLF7G22L130
1.1 设计指标
电路模型进行负载牵引的最佳输出阻抗设计。 设计仿真频率
采 用 同 样 的 设 计 方 法 ，基 于 ADS 软 件 中 的 Source-PullPAE， 对该偏置好的电路模型进行负载牵引的最佳输入出阻
抗设计，这时需要把按最佳输出阻抗匹配好的输出匹配网络 加 入 到 电路 中 进 行仿 真 。 选 取得 到 最 佳的 输 入 阻抗 点 Zsource = 2.648-j*0.796，并 以 它 的 共 轭 作 为 输 入 匹 配 网 络 设 计 的 参 考 。
Abstract: Based on ADS software， the high effective and power amplifier can be designed after learning the output and input impedance characteristic of the LDMOS transistor BLF7G22L130 by Load-pulling method under an appropriate static DC point and realizing the best conjugate match network through design and optimizing. ADS simulation indicates that the effectiveness of this kind of amplifier reaches 70% at the center frequency of 2 160 MHz， with the advantages of high stability and low gain flatness. Key words: ADS； load-pulling method； power amplifier； conjugate match
与分析[J]． 华东电力，2007，35（8）：75-79． YANG Ze-jia，ZHANG Hao，NIU Zhi-gang． IED data modeling based on IEC61850[J]． East China Electric Power，2007，35 （8）：75－79． [2] IEC 61850-7 Communication Networks and Systems in Substation:Part 7-2 Basic Communication Structure for Substation and Feeder Equipment-Abstract Communication Service Interfaces[S].Genvea. IEC 3003. [3] IEC 61850-7 Communication Networks and Systems In substation； Part 7-3 Basic Communication Structure for Substation and
勃发展。 在无线通信系统中，功率放大器[1]是无线发射机中的核
为了得到最佳的线性度和较好的效率，使功率放大管在
心模块之一，它不仅仅是将信号放大以实现远距离的可靠传输， 最佳 状 态 下工 作 ，并 充分 发 挥 其潜 力 ，所 以采 用 负 载 牵 引[6]特
而且 对 信 号的 效 率[2-4]、稳定 度 和 带宽 等 方 面都 提 出 了 很 高 的 征对 BLF7G22L130 进行等功率曲线和等效率曲线的扫描，以
本 设 计 方 案 选 取 的 是 NXP 公 司 的 BLF7G22L130 功 率 为 2 160 MHz，仿真后选取最佳的输出阻抗如图 1 所示。
管 ，设计 的 主 要 性 能 指 标 为:工 作 频 段 2 150~2 170 MHz； 输
出功率为 30 W （44.7 dBm）； 在中心频率处的工作效率大于
随着无线通信技术的发展 ， 除了广 为 人 知的 无 线 广播 、 借 助 ADS 中 的 设 计 向 导 工 具 （ DesignGuide→Amplifier →
Байду номын сангаас
卫 星 电 视 等 公 共 通 信 服 务 外 ，包 括 以 手 机 、无 线 局 域 网 和 蓝 Tools→Transistor Bias Utility） 可以轻易完成。 因为 ADS 所提
30 V，Ids =950 mA 时，各项设计指标满足要求。
确定静态工作点后， 就要确定偏置电路的形式和参数。
收 稿 日 期 ：2012-06-14
稿 件 编 号 ：201206108
图 1 负载牵引仿真结果 Fig. 1 Load-pull simulation results
作者简介：胡小军（1986—），男，湖南衡南人，硕士研究生。 研究方向：微波固态器件。
（下转第 152 页）
－149－
《电子设计工程》2012 年第 20 期
3结论
文中 根 据 IE61850 标 准 对 逻辑 节 点 进行 建 模 ，通过 过 程 抽象构建分层信息模型中的类实例。 以逻辑设备线路差动保 护装 置 为例 ，给 出 了数 据 集 服务 模 型 ，建立 了 ACSI 的 服务 模 型。 文中着重介绍了 ACSI 的服务模型中各模块的作用，建成 的 ACSI 的 服 务模 型 覆 盖了 变 电 站自 动 化 功能 的 需 求 ， 实 现 应用和通信的分离。 参考文献： [1] 杨桂松，张浩，牛志刚． 基于IEC 61850的IED数据建模研究
70%，增益平坦度要求小于 0.5 dB。
1.2 静态工作点与偏置电路的设计
设 计 放 大 器 首 先 需 要 确 定 静 态 工 作 点 ，利 用 ADS[5]中 的
“FET_curve_tracer” 的模板可以很方便地 仿 真 出其 输 出 特性
曲 线 。 再 参 考 BLF7G22L130 的 datasheet， 可 以 确 定 当 Vds =
Feeder Equipment-Common Data Classes[S]. Genvea. IEC 3003. [4] IEC 61850-7 Communication Networks and Systems in Subs-
tation:Part 7-4 Basic Communication Structure for Substation and Feeder Equipment-Compatible Logical Node Classes and Data Classes[S].Genvea IEC 3003. [5] 廖泽友，孙莉，贺岑 ，等． IED遵循IEC 61850 标准 的数 据 建 模[J]． 继电器，2006，34（20）：40－43． LIAO Ze-you，SUN Li，HE Cen，et al． IEDs data modeling based on IEC61850 standards IEDs data[J]． Relay，2006，34 （20）：40－43． [6] 徐宁 ，朱 永利，邸 剑 ，等． 基于IEC61850的 变 电 站 自 动 化 对 象建模[J]． 电力自动化设备，2006，26（3）：85－88． XU Ning，ZHU Yong-li，DI Jian，et al. Substation automation object modeling based on IEC61850 [J]． Electric Power Automa-Tion Equipment，2006，26（3）：85－88． [7] 王丽华，江涛． 基于IEC 61850 标准的保护功能建模分析[J]． 电 力 系 统 自 动 化 ，2007，31（2）：55－59． WANG LI-hua，JIANG Tao． Analysis on protection function modeling based on IEC 61850 standard[J]. Automation of Electric Power Systems，2007，31（2）：55-59．
对优化设计后的整个电路进行建模仿真，得到的仿真结 果如图 4 所示。
图 4 效率和输出功率曲线 Fig. 4 Curves of effectiveness and output power 由图 4 可 以得 到 ，在 输入 功 率 在 30 dBm 时 ，输 出 功率 可 达到 50.46 dBm，可以满足 1 dB 输 出 功 率 30 W 的 要 求 ，在该 输 入 功率 处 的 效率 达 到 70%；由图 5 可 以 得到 增 益 平坦 度 小 于 0.5 dB，在 频 率 2150~2170 MHz 内 效 率 在 70%以 上 ，输 出
－148－
胡小军 基于 ADS 高效率微波功率放大器设计
该 BLF7G22L130 模型在静态工作点的条件下，能够得到 理想的最大效率 PAE 为 69.39%，输出 功 率 为 47.08 dBm。 综 合考虑输出功率、效率和线性度等条件 ，这 里 选取 Zload =1.17+ j*0.348 作 为 该 MRF21030 模 型 在 该 静 态 工 作 条 件 下 的 最 佳 输出阻抗，以其共轭作为输出匹配网络设计的阻抗。
电子设计工程 Electronic Design Engineering
2012 年 10 月 Oct. 2012
基于 ADS 高效率微波功率放大器设计
胡小军 （电子科技大学 四川 成都 610054）
摘要： 基于 ADS 软件，选取合适的静态直流工作点，采用负载牵引法得到 LDMOS 晶体 管 BLF7G22L130 的 输出 和 输
牙等为代表的个人服务也进入到人们的视野中 ，并 逐 步成 为 供的元件数值是非标称的 ， 所 以需 要 设 计者 用 与 ADS 提供
人类生活中不可替代的通信工具。 同时随着技术日新月异的 的数值接近的标称元件进行替代。
发展 和 人 们通 信 需 求的 增 加 ，无线 通 信 产业 还 将 继 续 向 前 蓬 1.3 负载牵引法设计共轭匹配
入阻抗特性，并通过设计和优化得到最佳的共轭匹配网络，设计出高效率功率放大器。ADS 设计仿真表明该功率放大
器在中心频率 2 160 MHz 处的效率达到 70%，稳定性好、增益平坦度小等优点。
关键词： ADS； 负载牵引法； 功率放大器； 共轭匹配
中图分类号： TN492
文献标识码： A
文 章 编 号 ：1674－6236（2012）20-0148-02
在得到最佳源阻抗和负载阻抗后，需要通过阻抗变换将 之 匹 配 到 50 Ω，本 方 案 采 用 阶 梯 阻 抗 变 换 器 实 现 匹 配 ，利 用 阶梯阻抗变换器中不同阻抗微带线反射波相互抵消的原理， 将源和负载阻抗匹配到 50 Ω。 负载匹配网络如图 2 所示。
1.4 整个放大器模块
图 2 输出匹配网络仿真原理图 Fig. 2 Simulation schematic diagram of output matching network
图 5 工作频带内效率和输出功率曲线 Fig. 5 Curves of effectiveness and output power in working bands 功率在 50 dBm 以 上，可 见 该 功率 放 大 器具 有 很 高的 效 率 ，可 以满足系统设计的需求。
3结论
本设计中对功率放大器设计过程和结果进行了分析，在 ADS 环 境 中 进 行 了 电 路 的 调 试 和 仿 真 ，应 用 了 源 、负 载 牵 引
络对对输出网络的影响，以达到最大的功率输出。 即可将所
整个电路中加入输入和输出匹配网络后， 相互之间都 有电路综合起来进行整体的放大器仿真。其仿真电路图如 3
存在着影响，需要对整个电路进行优化，来补偿输入匹配网 所示。
2 电路仿真与结果分析
图 3 放大器整体仿真原理图 Fig. 3 Schematic diagram of amplifier
Design of high effective microwave power amplifier based on ADS software
HU Xiao-jun （University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054， China）
要求。 因此对于微波功率放大器的研究和设计有着重要是意义。
选择最佳输出阻抗来进行功率放大器设计。
1 功率放大器的设计
按上述确定好的最佳静态直流工作点设置好电路，然后 基 于 ADS 软 件 中 Load-Pull-PAE 对 该 偏 置 好 BLF7G22L130
1.1 设计指标
电路模型进行负载牵引的最佳输出阻抗设计。 设计仿真频率
采 用 同 样 的 设 计 方 法 ，基 于 ADS 软 件 中 的 Source-PullPAE， 对该偏置好的电路模型进行负载牵引的最佳输入出阻
抗设计，这时需要把按最佳输出阻抗匹配好的输出匹配网络 加 入 到 电路 中 进 行仿 真 。 选 取得 到 最 佳的 输 入 阻抗 点 Zsource = 2.648-j*0.796，并 以 它 的 共 轭 作 为 输 入 匹 配 网 络 设 计 的 参 考 。
Abstract: Based on ADS software， the high effective and power amplifier can be designed after learning the output and input impedance characteristic of the LDMOS transistor BLF7G22L130 by Load-pulling method under an appropriate static DC point and realizing the best conjugate match network through design and optimizing. ADS simulation indicates that the effectiveness of this kind of amplifier reaches 70% at the center frequency of 2 160 MHz， with the advantages of high stability and low gain flatness. Key words: ADS； load-pulling method； power amplifier； conjugate match
与分析[J]． 华东电力，2007，35（8）：75-79． YANG Ze-jia，ZHANG Hao，NIU Zhi-gang． IED data modeling based on IEC61850[J]． East China Electric Power，2007，35 （8）：75－79． [2] IEC 61850-7 Communication Networks and Systems in Substation:Part 7-2 Basic Communication Structure for Substation and Feeder Equipment-Abstract Communication Service Interfaces[S].Genvea. IEC 3003. [3] IEC 61850-7 Communication Networks and Systems In substation； Part 7-3 Basic Communication Structure for Substation and
勃发展。 在无线通信系统中，功率放大器[1]是无线发射机中的核
为了得到最佳的线性度和较好的效率，使功率放大管在
心模块之一，它不仅仅是将信号放大以实现远距离的可靠传输， 最佳 状 态 下工 作 ，并 充分 发 挥 其潜 力 ，所 以采 用 负 载 牵 引[6]特
而且 对 信 号的 效 率[2-4]、稳定 度 和 带宽 等 方 面都 提 出 了 很 高 的 征对 BLF7G22L130 进行等功率曲线和等效率曲线的扫描，以
本 设 计 方 案 选 取 的 是 NXP 公 司 的 BLF7G22L130 功 率 为 2 160 MHz，仿真后选取最佳的输出阻抗如图 1 所示。
管 ，设计 的 主 要 性 能 指 标 为:工 作 频 段 2 150~2 170 MHz； 输
出功率为 30 W （44.7 dBm）； 在中心频率处的工作效率大于
随着无线通信技术的发展 ， 除了广 为 人 知的 无 线 广播 、 借 助 ADS 中 的 设 计 向 导 工 具 （ DesignGuide→Amplifier →
Байду номын сангаас
卫 星 电 视 等 公 共 通 信 服 务 外 ，包 括 以 手 机 、无 线 局 域 网 和 蓝 Tools→Transistor Bias Utility） 可以轻易完成。 因为 ADS 所提
30 V，Ids =950 mA 时，各项设计指标满足要求。
确定静态工作点后， 就要确定偏置电路的形式和参数。
收 稿 日 期 ：2012-06-14
稿 件 编 号 ：201206108
图 1 负载牵引仿真结果 Fig. 1 Load-pull simulation results
作者简介：胡小军（1986—），男，湖南衡南人，硕士研究生。 研究方向：微波固态器件。
（下转第 152 页）
－149－
《电子设计工程》2012 年第 20 期
3结论
文中 根 据 IE61850 标 准 对 逻辑 节 点 进行 建 模 ，通过 过 程 抽象构建分层信息模型中的类实例。 以逻辑设备线路差动保 护装 置 为例 ，给 出 了数 据 集 服务 模 型 ，建立 了 ACSI 的 服务 模 型。 文中着重介绍了 ACSI 的服务模型中各模块的作用，建成 的 ACSI 的 服 务模 型 覆 盖了 变 电 站自 动 化 功能 的 需 求 ， 实 现 应用和通信的分离。 参考文献： [1] 杨桂松，张浩，牛志刚． 基于IEC 61850的IED数据建模研究
70%，增益平坦度要求小于 0.5 dB。
1.2 静态工作点与偏置电路的设计
设 计 放 大 器 首 先 需 要 确 定 静 态 工 作 点 ，利 用 ADS[5]中 的
“FET_curve_tracer” 的模板可以很方便地 仿 真 出其 输 出 特性
曲 线 。 再 参 考 BLF7G22L130 的 datasheet， 可 以 确 定 当 Vds =
Feeder Equipment-Common Data Classes[S]. Genvea. IEC 3003. [4] IEC 61850-7 Communication Networks and Systems in Subs-
tation:Part 7-4 Basic Communication Structure for Substation and Feeder Equipment-Compatible Logical Node Classes and Data Classes[S].Genvea IEC 3003. [5] 廖泽友，孙莉，贺岑 ，等． IED遵循IEC 61850 标准 的数 据 建 模[J]． 继电器，2006，34（20）：40－43． LIAO Ze-you，SUN Li，HE Cen，et al． IEDs data modeling based on IEC61850 standards IEDs data[J]． Relay，2006，34 （20）：40－43． [6] 徐宁 ，朱 永利，邸 剑 ，等． 基于IEC61850的 变 电 站 自 动 化 对 象建模[J]． 电力自动化设备，2006，26（3）：85－88． XU Ning，ZHU Yong-li，DI Jian，et al. Substation automation object modeling based on IEC61850 [J]． Electric Power Automa-Tion Equipment，2006，26（3）：85－88． [7] 王丽华，江涛． 基于IEC 61850 标准的保护功能建模分析[J]． 电 力 系 统 自 动 化 ，2007，31（2）：55－59． WANG LI-hua，JIANG Tao． Analysis on protection function modeling based on IEC 61850 standard[J]. Automation of Electric Power Systems，2007，31（2）：55-59．
对优化设计后的整个电路进行建模仿真，得到的仿真结 果如图 4 所示。
图 4 效率和输出功率曲线 Fig. 4 Curves of effectiveness and output power 由图 4 可 以得 到 ，在 输入 功 率 在 30 dBm 时 ，输 出 功率 可 达到 50.46 dBm，可以满足 1 dB 输 出 功 率 30 W 的 要 求 ，在该 输 入 功率 处 的 效率 达 到 70%；由图 5 可 以 得到 增 益 平坦 度 小 于 0.5 dB，在 频 率 2150~2170 MHz 内 效 率 在 70%以 上 ，输 出
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胡小军 基于 ADS 高效率微波功率放大器设计
该 BLF7G22L130 模型在静态工作点的条件下，能够得到 理想的最大效率 PAE 为 69.39%，输出 功 率 为 47.08 dBm。 综 合考虑输出功率、效率和线性度等条件 ，这 里 选取 Zload =1.17+ j*0.348 作 为 该 MRF21030 模 型 在 该 静 态 工 作 条 件 下 的 最 佳 输出阻抗，以其共轭作为输出匹配网络设计的阻抗。