射频功率放大器仿真设计

射频功率放大器仿真设计

本设计采用Freescale的功放管MRF7S38010H。

一、静态工作点直流扫描

功率放大器设计时，需输出功率、效率、线性度等指标要求选择功放管的工作状态。本设计根据datasheet给出的静态工作点来仿真，为AB类，如图1所示。

图1 静态工作点直流扫描

仿真结果如图2所示，静态电流为162mA，栅极电压为2.85V。

图2 静态工作点仿真结果

二、稳定性分析

对于功放来说，稳定性非常重要。不稳定的电路很容易引起功放管自激甚至损坏。所以，在放大器匹配电路设计的时，首先需要进行稳定性分析和稳定电路的设计，保证稳定系数K在整个频段内大于1。如果在整个频段内难以做到无条件稳定，有时只需确保晶体管工作频段以及附近频段的K＞1即可。

该功放管的稳定性电路和仿真结果分别如图3和图4所示。

图3 稳定性仿真电路原理图

从图4的结果来看，在3.5GHz以下的频率范围内K值基本小于1，所以该电路是条件稳定，需要做稳定性措施。

解决稳定性的常用办法是在功放管输入端加入电阻等有损元件来消耗掉过多的能量，特别是低频部分。输出端一般不加入电阻，以免造成输出功率损失。在射频输入端口插入电阻和电容组成的并联网络；同时，在栅极端接射频扼流的 传输线，再并联射频去耦电容，最后串联一个稳定电阻，如图5所示。此方/4

法稳定效果好，但增益会降低。具体数值需要通过仿真结果来不断调试。

图4 稳定性仿真结果

图5 加入稳定元件后的稳定电路原理图

仿真结果如图6所示。从图6可见，稳定系数在整个频段内都大于1。加入了稳定电路后，整个系统的增益有所降低。

图6 稳定性仿真结果

一般情况下，稳定性与偏置电路的设计是结合在一起的。因为供电端和射频信号是连接在一起的，所以在进行匹配设计时也需要考虑偏置电路特性。/4λ传输线是匹配电路的一部分，在匹配设计中要注意这一点。实际上，射频扼流作用的微带线长度并非一定要为/4λ，而是小于/4λ，所以图5中的栅极电长度并非为90度。

在选择射频耦合电容时，要求电容的谐振点要高于所应用频率范围最高值。本设计中，最高频率为3.5GHz ，所以选择村田的2.7PF ，0603封装的射频电容。

三、 Loadpull 负载牵引

负载阻抗决定了功放电路的最大输出功率和效率。

在设计功率放大器时，为了得到最大的功率输出，采用功率匹配。通过Load-Pull 仿真得到最大功率点的最优负载阻抗值，然后进行输出匹配电路的设计，如图7所示。

需要注意的是，要保证功放输出功率达到最大，需将输入功率设定为合理的值，此设计中设置为25dBm 。

图7 Load-Pull仿真

从图8可以得到功率最大的阻抗点和效率最大的阻抗点。为了得到最大的输出功率，选择功率最大的负载阻抗值Zl=24.755+j*10.671Ω作为输出阻抗来进行输出匹配电路的设计。

图8 Load-Pull仿真结果

四、输出匹配电路设计

在输出匹配电路设计中，将Load-pull仿真得到的最佳负载阻抗值的共轭匹配到50Ω。本设计采用宽窄交替的微带线结构实现阻抗匹配，如图9所示。此匹配设计为低通结构，可从网络的频率响应曲线看出匹配的结果。同时，对于宽频范围的设计，要使其Q值较低。

图9 输出匹配电路的ADS smith设计

图10 实际微带线设计的输出匹配网路

图11 输出匹配电路仿真结果S11

图11所示为优化后的S11参数，设计频段的S11都小于-30dBm，符合要求。

在匹配电路的设计时，要明白负载阻抗参考面位置，在匹配过程中要保证焊接面积大于栅漏极尺寸。同时，要搞清楚Lollpull和sourcepull仿真得到的最佳负载阻抗和源阻抗的参考点在哪里。不同宽度之间连接时，放入过渡微带结。

五、输入端源牵引

源阻抗决定了功放电路的输入回波损耗。

将设计好的输出匹配电路放入Source-pull仿真中，如图12所示。得到输入端的最佳源阻抗值，如图13所示。

图12 Suorce-pull仿真

图13 Source-pull仿真结果

从源牵引仿真结果图13可以得到最佳的源阻抗值为Zs=57.172-j*34.853。要注意到这个源阻抗为图12中输入端电容和电容并联组成的稳定网络向左看去的阻抗，在输入匹配电路设计中不需要再加入栅极偏置电路了。

六、输入匹配电路设计

原理和设计方法与输出匹配电路设计相同，此处不再赘述。

图14 输入匹配电路的ADS smith设计

图15 实际微带线设计的输入匹配网路

图16 输入匹配电路的仿真结果

七、S参数仿真

将优化后的输入匹配电路和输出匹配电路联合起来进行S参数仿真。

图17 S参数的联合仿真

图18 S参数的仿真结果

此仿真结果是在S参数和谐波平衡仿真相互参照下不断优化得到的结果，这样做的好处是能保证两个参数的仿真都能得到相对理想的值，从而避免了S参数优化得到非常完美的结果，但输出功率和平坦度等参数却恶化了，这点必须注意。

从图18可以看出，S22的值比较高。功放输出端对驻波比有很大的容忍范围。但输入端的S11必须要小，避免小信号被反射掉。

八、谐波平衡仿真

谐波平衡仿真用来评估设计好的功放的非线性特性，可以仿真功放的P1dB、增益和IMD3等参数。原理图如图19所示。

传输线的长度（或等效于调节旁路电容的位置）通过调节栅极和漏极的/4

可以得到较佳的非线性特性，这为PCB的调试提供了方向。

图19 谐波平衡仿真图

图20 谐波平衡仿真结果

从图上可以看出，PAE、输出功率和增益平坦度都达到了指标要求，这是通 传输线的长度得到的，同时兼顾了S参数的仿真结果。过不断调试栅漏极/4

九、电路参数测试

将优化后的原理图建立模型，搭建如图21所示的电路图。