射频功放仿真基本方法

功率器件仿真基本方法功率器件仿真基本方法 对于微波大功率有源器件来说 其输入输出阻抗是一个关键的参数 且不易测量 而在 设计中 没有这些参数 设计将无从下手 目前微波大功率的有源器件大多采用金属氧化物半 导体场效应晶体管 LDMOSFET Lateral Diffused metallic oxide semiconductor field effect transistor 因此本文以 LDMOS 功率管的仿真为例探讨微波有源器件仿真 由于大家所公认的大功率器件仿真的难度 特别是在器件模型建立方面的难度 使得这 一工作较其他电路如小信号电路仿真做的晚 且精度也较小信号电路低 目前公司内部在这方 面所作的工作也相对较少 随着技术的发展 目前的很多仿真软件已经做的很完善 如 ADS 它可以提供各种数字 和模拟系统及电路的仿真平台 用户的主要任务就是给目标器件建模和搭建电路 而目前我们 使用的主流 LDMOS 器件即 Motorola 的大部分器件均提供 ADS 仿真的模型 我们只要直接使 用 这给我们的仿真工作带来了极大的方便 极大的减小了工作量 并提高了准确度 本文主要探讨使用 ADS2002 仿真计算大功率 LDMOS 器件的工作点 输入输出阻抗及其 对应的线性指标 电流 增益等电参数 1 LDMOS 器件模型器件模型 首先我们了解一下 Motorola 的 LDMOS 器件库的情况 图 1 1 是其在原理图中的符号 MRF MET MODEL MRF3 CTH 1 RTH 1 TSNK 25 MODEL MRF183 MRF ROOT MODEL MRF5 MODEL MRF183 MRF MET PP MODEL MRF4 CTH 1 RTH 1 TSNK 25 MODEL MRF185 MRF ROOT PP MODEL MRF6 MODEL MRF185 图 1 1 Motorola LDMOS 器件模型 它的器件分为两类 单管 MRF MET MODEL Source impedances fg x 50 1 0 x 1 0 x iload int min abs freq RFfreq 1 5 length LoadArray LoadArray list Z l 0 fg indexs11 Z l 2 Z l 3 Z0 Z0 LoadTuner LoadArray iload Tuner reflection coefficient Eqn Var 图 3 3 单音 Load Pull 变量设置 MeasEqn Meas2 Pdel dBm 10 log Pdel W 30 Pdel W 0 5 real vload 1 conj Iload i 1 Eqn Meas Optim Optim1 OPTIM Goal OptimGoal1 Max 30 05 Min 29 95 SimInstanceName HB1 Expr Pdel dBm GOAL ParamSweep Sweep4 Lin pts per line Stop real s11 center c limit Start real s11 center c limit SweepVar real indexs11 PARAMETER SWEEP ParamSweep Sweep3 Lin lines Stop imag s11 center max rho max rho lines 1 Start imag s11 center max rho max rho lines 1 SweepVar imag indexs11 PARAMETER SWEEP MOT LDMOS INCLUDE HarmonicBalance HB1 Order 1 5 Freq 1 RFfreq HARMONIC BALANCE 图 3 4 单音 Load Pull 参数扫描和仿真器设置 仿真结束后 我们得到的是一些电路的基本数据如电压 电流等 这时候需要使用 ADS 强大的数据后处理功能 从这些基本的电路数据中提取我们感兴趣的电路参数如谐波 输入输 出阻抗 增益 电源效率等 后处理公式如图 3 5 所示 EqnPavs Watts 10 Pavs1 30 10 EqnPAE 100 Pdel W 0 Pavs Watts Pdc EqnPAEmax max max PAE EqnPAE contours contour PAE PAEmax 0 1 0 NumPAE lines 1 PAE step Eqn Is h exists real Is high i 0 0 EqnIs l exists real Is low i 0 0 Eqn Vs l exists real Vs low 0 0 EqnVs h exists real Vs high 0 0 Eqn Pdc Is h Vs h Is l Vs l 1e 20 Eqnsurface samples real indexs12 j expand imag indexs12 Eqnimag index find index imag indexs12 imag m1 Eqnreal index find index real indexs12 imag index real m1 EqnZ at m1 Z0 0 0 0 0 1 m1 1 m1 Eqn s1 Z in Zs Z in Zs EqnZ in vin 0 1 Iin i 0 1 EqnGain Pdel dBm 0 Pavs1 10 log mag 1 mag s1 s1 EqnH 2rd min min min H 2rd dB Eqn H 3rd min min min H 3rd dB EqnH 2rd dB 10 log10 real 0 5 vload 0 2 conj Iload i 0 2 30 Pdel dBm 0 EqnH 3rd dB 10 log10 real 0 5 vload 0 3 conj Iload i 0 3 30 Pdel dBm 0 Eqn imag indexs12 HB imag indexs11 Eqnreal indexs12 HB real indexs11 EqnPavs1 OPTSOLNVALS Pavs 0 EqnH 2rd contours contour H 2rd dB H 2rd max 0 5 0 NumPAE lines H 2rd max H 2rd min NumPAE lines EqnH 3rd max max max H 3rd dB EqnH 2rd max max max H 2rd dB Eqn H 3rd contours contour H 3rd dB H 3rd max 0 5 0 NumPAE lines H 3rd max H 3rd min NumPAE lines Eqn PAE contours p indep PAE contours j PAE contours Eqn H 2rd contours p indep H 2rd contours j H 2rd contours Eqn H 3rd contours p indep H 3rd contours j H 3rd contours Eqn Gain contours contour Gain Gain max 0 1 0 NumPAE lines Gain max Gain min NumPAE lines Eqn Gain max max max Gain Eqn Gain min min min Gain Eqn Gain contours p indep Gain contours j Gain contours 图 3 5 单音 Load Pull 后处理计算 在上面的基础上 我们可以得到如图 3 6 所示的各种参数的等高线图 PAE 电源效率 Gain 器件增益 注意此处的增益是扣除了输入反射的影响的 H 2rd 二次谐波 H 3rd 三 次谐波 图 3 6 单音 Load Pull 各种参数的等高线图 等高线图只能让我们对其参数的全局和变化有一个认识 但是还是不易得到具体点的参 数 因此做了索引图 如图 2 7 所示 使用鼠标拖动 Mark 点 即可得到该点的输入输出阻抗 输入输出净功率 漏级电流 电源效率 器件增益 当前二次谐波和三次谐波及其和最佳值得 比较 如果需要的话 还可以给出频带内对应的所有参数 由于这样计算量很大 本文没有这 样做 图 3 7 单音 Load Pull 参数索引 3 3 双音双音 Load Pull 仿真仿真 在单音 Load Pull 仿真电路的基础上 只需要将源 HB 仿真器和功率检测公式按图 3 8 所示修改 即可进行双音 Load Pull 仿真 图 3 8 单音 Load Pull 变为双音 Load Pull 所需的修改 仿真后处理计算式和单音后处理思路是一致的 需要注意的是双音信号有两个频点的有 用信号 而单音只有一个 因此输出功率是其总和 其 PAE 增益 ThirdOrdIMD 三阶交调 FifthOrdIMD 五阶交调的等高线图如图 3 9 所示 图 3 9 双音 Load Pull 各种参数等高线图 图 3 10 双音 Load Pull 参数索引图 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 1 0 0 3 0 1 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 2 0 6 real Load S11 imag Load S11 3rd Order HB Blue and 2th Order HB Red Contours 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 1 0 0 2 0 1 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 2 0 5 real Load S11 imag Load S11 3rd Order IMD Blue and 5th Order IMD Red Contours 图 3 11 单音谐波和双音交调等高线图比较 从上面的等高线图和参数索引图上可以看出 使用不同的线性度表示方法 其结果是有 差异的 在单音仿真中 二次谐波和三次谐波的最佳值靠的较近 而在双音仿真中 三阶交调 和五阶交调的最佳值相差较远 如图 3 11 所示 因此在实际的设计中 需要根据需要 权衡各 种指标 使系统性能达到最佳 从上面的仿真我们还可以得出 不管是单音还是双音仿真 得到的结果中 对应输出负 载的输入阻抗 漏极电流 电源效率和增益均是一致的 4 ACPR 计算计算 根据上面单音和双音仿真结果 选择合适的输出阻抗 找到其对应的输入阻抗 加上匹配 电路 使用 IS95 的 CDMA 信号源 仿真器使用包络仿真 即可方便的得到该器件的另一线性 指标 ACPR 下面的例子中 使用的是三次谐波和五阶交调的最佳点 该点上 输出阻抗 2 322 j 6 367 输入阻抗 0 74 j3 02 增益 25 8dB 漏极电流 0 4A 静态 0 35A 效率 9 18 二次谐波 34dB 三次谐波 75 19dB 三阶交调 42dB 五阶交调 60 6dB 图 4 1 为包络仿真电路图 在该电路中 添加了输入输出阻抗匹配电路 DA LCBandpassMatch1 和 DA LCBandpassMatch2 使得其对外端口阻抗均为 50 方便计算 图 4 1 包络仿真电路图 MeasEqn Cal ACPR Ch Pwr in 10 log channel power vr vin 1 50 bit rate 2 bit rate 2 Kaiser 30 Ch Pwr 10 log channel power vr Vload 1 50 bit rate 2 bit rate 2 Kaiser 30 ACPR2 acpr vr Vload 1 50 bit rate 2 bit rate 2 ch2 acprBW 2 ch2 acprBW 2 ch2 acprBW 2 ch2 acprBW 2 Kaiser ACPR1 acpr vr Vload 1 50 bit rate 2 bit rate 2 ch1 acprBW 2 ch1 acprBW 2 ch1 acprBW 2 ch1 acprBW 2 Kaiser ch2 1980kHz ch1 750kHz acprBW 30kHz Eqn Meas VAR BaseBand tstop numSymbols bit rate 2 numSymbols 256 tstep 1 bit rate sam per bit sam per bit 4 bit rate 1 2288 MHz Eqn Var 图 4 2 包络仿真中的参数设置及 ACPR 信道功率的计算 包络仿真是时域的计算 需要根据信号的特点设置采样的参数 然后根据其内部函数计算 ACPR 和信道功率 如图 3 2 所示 下面计算的是在 465MHz 点频处 输入功率变化时 其增益 输出功率 输入驻波 ACPR 的变化 如图 4 3 所示 图中给出的是其随输出功率的变化曲线 其中 Gain 增益 VSWR in 输入驻波 ACPR1 1 ACPR 750kHz ACPR1 2 ACPR 750kHz ACPR2 1 ACPR 1 98MHz ACPR2 2 ACPR 1 98MHz 30323436382840 24 8 25 0 25 2 25 4 25 6 24 6 25 8 Ch Pwr Gain 30323436382840 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 0 1 6 Ch Pwr VSWR in 30323436382840 55 50 45 40 35 60 30 Ch Pwr ACPR1 1 ACPR1 2 30323436382840 65 60 55 70 50 Ch Pwr ACPR2 1 ACPR2 2 图 4 3 增益 输入驻波 ACPR 随输出功率的变化 2 0 1 5 1 0 0 50 00 51 01 52 0 2 52 5 60 40 20 0 80 20 freq MHz dBm fs Vload ACPR i 1 Kaiser m1 Pavs 4 500 Ch Pwr 30 233 m1 Pavs 4 500 Ch Pwr 30 233 468101214216 30 32 34 36 38 28 40 Pavs Ch Pwr m1 ACPR 750kHz dBc 57 809 57 225 ACPR 1 98MHz dBc 67 293 63 947 Gain dB 25 733 Input VSWR 1 049 图 4 4 参数索引 图 4 4 给出了其参数索引图 移动 Mark 点 m1 即可得到其对应功率点的增益 输入阻 抗及其 ACPR 和频谱 5 温度对器件性能的影响温度对器件性能的影响 前面提到 我们采用的是 Motorola LDMOS 的 MET 模型 即它是可以模拟环境温度变化 对器件参数的影响的 在直流工作点的仿真中 也给出了器件的工作点随温度的变化情况 并 给出了温补的系数 下面 按照这个给定的温补系数 对静态漏极电流进行补偿 使得在 40 80 范围内 漏极静态电流为 350mA 左右 如图 2 7 所示 并在这种条件下 对电路添 加输入输出匹配电路 分别进行单音 双音和包络仿真 仿真电路如图 4 1 所示 不同得仿真 只需要更换相应得信号源 仿真器和对应得一些计算式即可 5 1 单音指标单音指标 200204060 4080 9 1 9 2 9 3 9 4 9 0 9 5 Temp PAE 200204060 4080 1 05 1 10 1 00 1 15 Temp VSWR in 200204060 4080 0 392 0 394 0 396 0 398 0 390 0 400 Temp Is h 200204060 4080 84 82 80 78 76 74 86 72 Temp H 3rd dB 200204060 4080 25 70 25 75 25 80 25 65 25 85 Temp Gain 200204060 4080 32 4 32 3 32 2 32 1 32 5 32 0 Temp H 2rd dB 图 5 1 单音仿真中各种指标随温度的变化 加温补 系数 1 98mV 图 5 1 中 MRF9045 在各种温度下出定功率 30dBm Gain 端口增益 VSWR in 输入 驻波 PAE 漏极电源效率 Is h 漏极电流 H 2rd dB 二次谐波 H 3rd dB 三次谐波 5 2 双音指标双音指标 200204060 4080 9 20 9 25 9 30 9 15 9 35 Temp PAE 200204060 4080 0 396 0 398 0 400 0 394 0 402 Temp Is h 200204060 4080 25 55 25 60 25 50 25 65 Temp Gain 200204060 4080 29 1 29 0 28 9 28 8 28 7 29 2 28 6 Temp ThirdOrdIMD 200204060 4080 1 02 1 04 1 06 1 08 1 10 1 12 1 00 1 14 Temp VSWR in 200204060 4080 46 4 46 2 46 0 45 8 45 6 46 6 45 4 Temp FifthOrdIMD 图 5 2 双音仿真中各种指标随温度的变化 加温补 系数 1 98mV 图 5 2 中 MRF9045 在各种温度下出定功率 30dBm PAE 漏极电源效率 Is h 漏极 电流 Gain 端口增益 VSWR in 输入驻波 ThirdOrdIMD 三阶交调 FifthOrdIMD 五 阶交调 5 3 ACPR 200204060 4080 58 2 58 0 57 8 57 6 58 4 57 4 Temp ACPR1 1 ACPR1 2 200204060 4080 29 80 29 85 29 90 29 75 29 95 Temp Ch Pwr 200204060 4080 25 60 25 65 25 70 25 55 25 75 Temp Gain 200204060 4080 67 66 65 64 68 63 Temp ACPR2 1 ACPR2 2 图 5 3 包络仿真中各指标随温度的变化 加温补 系数 1 98mV 图 5 3 是在输入定功率 4 2dBm 的前提下 输出各参数随温度的变化情况 Gain 端口增 益 Ch Pwr 输出功率 ACPR1 1 ACPR 750kHz ACPR1 2 ACPR 750kHz ACPR2 1 ACPR 1 98MHz ACPR2 2 ACPR 1 98MHz 从上面三图中的曲线可以看出 不同的仿真方法 对应的参数相当 最明显的是三种方 法得到的增益 如图 5 4 所示 其变化情况完全一样 绝对值相差 0 2dB 40 20020406080 25 5 25 6 25 7 25 8 25 9 Gain dB Temp oC HB 1Tone HB 2Tone Envelope 图 5 4 不同仿真模式下增益 VS 温度曲线的对比 6 结论结论