基于ADS高线性微波功率放大器设计

1、22通信与广播电视󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2010年第34期基于ADS高线性微波功率放大器设计庄东曙󰀁陈文嘉*󰀁李跃进*󰀁黄锦香*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MRF21030的输出和输入阻抗特性,并通过设计和优化得到最

2、佳的共轭匹配网络,并采用功率回退的设计方法,设计出应用于专用TD󰀁SCDMA领域的高线性功率放大器。ADS设计仿真表明该功率放大器P1dB输出功率可达44󰀂666dBm,三阶互调失真IMD3小于-60dBc,具有线性度高、稳定性好、增益平坦度小等优点。关键词:LDMOS功率放大器󰀁ADS󰀁负载牵引法󰀁功率回退󰀁共轭匹配DesignofHighLinearityMicrowavePowerAmplifierBasedOnADSSoftwareZhuangDongshu󰀁ChenWenj

3、ia󰀁LiYuejin󰀁HuangJinxiangAbstractBasedonADSsoftwareandtheappropriatestaticdirectcurrentworkingpoin,twegettheoutputandinputimpedancecharacteristicofLDMOStransistorMRF21030bytheuseofload󰀁pullmethod,andtheoptimalconjugatematchnetworkthroughdesignandoptimiza󰀁tion.Wealsode

4、signthehighlinearitypoweramplifierforTD󰀁SCDMAwiththeapproachofpowerback󰀁of.fADSdesignsimulationindicatestheoutputpowerofthispowerampli󰀁fierP1dBcouldreach44󰀂666dBmwithIMD3lessthan-60dBc.Ithasthefeaturesofhighlinearity,goodstabilityandsmallgainflatness.Keywords:LDMOSPow

5、erAmplifierADS󰀁Load󰀁pullmethodPowerback󰀁off󰀁Conju󰀁gatematch󰀁CLC:TN43󰀁DocumentCode:A󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁*󰀁作者系南京熊猫股份有限公司宽带移动研发部技术人员󰀁󰀁󰀁*󰀁作者系南京熊猫股份有限公司宽带移动研发部助理工程师󰀁󰀁*&

6、#983041;作者系南京熊猫股份有限公司宽带移动研发部研究员级高级工程师󰀁*󰀁作者系南京熊猫股份有限公司宽带移动研发部高级工程师2010年第34期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁通信与广播电视23一、引󰀁󰀁言随着3G无线通信和专用通信领域新标准新技术的迅速发展,功率放大器作为3G通信基站系统、宽带调试发射机、雷达、电子对抗的核心器

7、件起着越来越重要的作用。它不仅仅是将信号放大以实现远距离的可靠传输,而且对信号的线性度、稳定度和带宽等方面都提出了很高的要求。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是意义。TD󰀁SCDMA基站系统是3G无线通信系统研发的重要组成部分,作为我国自己提出的一种标准,与WCDMA和CDMA2000方式不同,TD󰀁SCDMA采用TDD的双工方式,使用直接序列扩频的码分多址技术(DS󰀁CDMA),他的传输带宽1󰀂6MHz,码片速率1󰀂28chip/s,具有频谱利用率高、成本低、数

8、据业务量大等优点,现在越来越得到人们的关注和重视。为了有效保证TD󰀁SCDMA通信的可靠性、稳定性和扩大专用领域通信的覆盖范围,非常有必要对TD󰀁SCDMA基站系统的功率放放大器进行研究与设计。二、功率放大器分析与设计1󰀂󰀁设计指标本设计目标为专用TD󰀁SCDMA微蜂窝基站的微波功率放大器,设计采用freescale公司的LDMOS功率管MRF21030。设计的主要性能指标为:工作频段(Frequencyrange):20102025MHz;1dB压缩点输出功率(OutputP1dB)为30W;功率增益(Gain)

9、大于14dB;三阶互调失真(IMD3)小于-45dBc;谐波抑制大于50dBc;增益平坦度要求小于0󰀂5dB;TD󰀁SCDMA信号信道输出平均功率大于2W。2󰀂󰀁静态工作点基于ADS仿真软件中的FET_curve_tracer对MRF21030的Model进行静态工作点仿真设计。静态工作点仿真时,设置直流偏置电压3󰀂2V4󰀂5V,考虑到功率放大管在高温条件下增益下降的特性,这个选取工作电压VDS为30V,静态工作电流IDS选取590mA比MRF21030数据手册上大很多,以便获得更好的线性库。从图1

10、选取的IQ静态工作点和交流负在线的I󰀁V曲线特性中可以看出该MRF21030在输出功率30W的条件下处于AB类的工作状态。3󰀂󰀁负载牵引法设计共轭匹配为了得到最佳的线性度和较好的效率,使功率放大管在最佳状态下工作,并充分发挥其潜力,所以采用负载牵引特征对MRF21030进行等功率曲线和等效率曲线的扫描,以选择最佳输出阻抗来进行功率放大器设计。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软件中的Load󰀁Pull󰀁PAE,OutputPowerContours对该偏置好MRF21030电路模型进行负载牵

11、引的最佳输出阻抗设计。设计仿真频率fs选取2010MHz2025MHz的中间频率2017󰀂5MHz作为仿真频率,仿真24通信与广播电视󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2010年第34期图1󰀁I󰀁V曲线图表图2󰀁最佳负载阻抗该MRF21030模型在VDS=30V,IDS=590mA静态工作点的条件下,能够得到理想的最大效率PAE为61

12、󰀂13%,最大P1dB输出功率为44󰀂7dBm。综合考虑输出功率、效率和线性度等条件,这里选取ZL=23󰀂752+*j0󰀂397作为该MRF21030模型在该静态工作条件下的最佳输出阻抗点(m3点),并以其共轭ZL=23󰀂752-*j0󰀂397作为输出匹配网络设计的阻抗。从图2中可以看出在此输出阻抗处,其效率60󰀂32%和P1dB输出功率44󰀂25dBm都是非常接近理想值的。,AE,2010年第34期󰀁󰀁󰀁𘀀

13、1;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁通信与广播电视25偏置好MRF21030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ZS=6󰀂961-j*17󰀂589,并以它的共轭ZS=6󰀂961+*j17󰀂589作为输入匹配网络设计的参考。得到的输出阻抗和输入阻抗如下表1所示。表1󰀁VDS=30V,频率(MHz

14、)2017󰀂5IDS=590mA的输入输出阻抗输出阻抗(Zload)23󰀂752-*j0󰀂397输入阻抗(Zsource)6󰀂961-*j17󰀂589整个电路中加入输入和输出匹配网络后,相互之间都存在着影响,需要对整个电路进行优化,来补偿输入匹配网络对对输出网络的影响,以达到最大的功率输出。同时,为了减少匹配传输线因为宽窄不一致带来的不连续性,加入MTaper进行宽带带线的过度连接,并且电路中的电容、电感、电阻器件替换为实际厂家的器件模型,在这个电路中采用的murata的器件模型,尽可能的模拟实际电路的情况来进行电

15、路的优化设计和仿真。三、电路仿真和分析对优化设计后的整个电路进行建模仿真,得到的仿真结果如下图所示。图3󰀁1dB压缩特性曲线26通信与广播电视󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2010年第34期图4󰀁经谐波滤波后的谐波特性图5󰀁输出三阶互调频谱特性表2󰀁功放设计仿真数据设计指标工作频段典型增益P1dB输出功率谐波特性三阶互调失真IMD

16、3增益波动备注指标要求20102025MHz14dB󰀂44󰀂5dBm󰀂50dBc -45dBc 0󰀂5dB设计结果20102025MHz14󰀂2dB44󰀂666dBm110dBc -60dBc0󰀂2dB三阶互调测试条件:双音信号Pin=30dBm󰀁!f=2MHz2010年第34期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁♦

17、41;󰀁󰀁通信与广播电视27在图3的1dB输出特性曲线中,可以看出P1dB输出功率可达到44󰀂666dBm,已经非常接近理想的最大输出功率值可以满足1dB输出功率30W的要求,在其线性放大区域范围内的增益约为14󰀂2dB;图4为该功率放大器经谐波低通滤波器BLP后得到的谐波特性,可见其二三次谐波被大大的抑制,二次谐波-110󰀂5dBc,三次谐波-141󰀂2dBc。图5中,输入双音信号频率间隔2MHz,双音信号功率20󰀂5dBm,仿真得到信号输出功率30󰀂153dBm,

18、电路的三阶互调失真(IMD3)为30󰀂153dB-(-30󰀂726dB)=60󰀂879dBc,可见该功率放大器具有很高的线性度,可以满足系统设计的需求,对其进行线性输出功率的提高也有一定的扩展度。四、结󰀁󰀁论本文利用LDMOS器件的高线性度,高输出功率和高稳定性的特点,采用负载牵引的设计方法,得到了在最佳的输入和输出阻抗,通过ADS设计软件进行匹配网络的设计、电路的优化,来达到最大的功率输出。在高线性处理时,采用功率回退的设计方法,从而得到了三阶互调失真IMD3小于-60dBc的高线性功率放大器的设计。参󰀁考󰀁文ϗ