C波段功率放大器设计

题目：C波段功率放大器设计目录TOC\o"1-3"\h\u5335摘要 C波段功率放大器设计摘要C频段是一个综合性能比较好的电磁波频段，是指频率在4-8GHz的无线电波频段。C波段功率放大器是发射机中的一个重要组件，是微波发射系统中的关键。GaN功率管具有高击穿电场、宽带隙等特性,使其拥有高效特性、带宽较宽等优点。由于具备这些优点，宽禁带半导体功率器件可以明显提高电子信息系统的性能，广泛应用于雷达、通信、战斗机、海洋勘探等重要领域。本文是基于ADS仿真软件对一款C波段功率放大器进行电路设计和仿真，通过晶体管的小信号S参数，对功率管的输入、输出阻抗匹配电路及其偏置电路进行优化设计，使整个设计性能达到设计要求。指标要求如下：在5-6.5GHz的频段范围内，增益大于38dB，增益平坦度小于2dB，输入输出驻波比小于2。关键词：功率放大器；GaN；半导体；S参数；C-bandpoweramplifierdesignAbstractbandisanelectromagneticwavebandwithbettercomprehensiveperformance,whichreferstotheradiowavebandwithafrequencyof4-8GHz.TheC-bandpoweramplifierisanimportantcomponentinthetransmitterandthekeyinthemicrowavetransmissionsystem.GaNpowertubeshavethecharacteristicsofhighbreakdownelectricfield,widebandgap,etc.,sothattheyhavetheadvantagesofhighefficiencyandwidebandwidth.Becauseoftheseadvantages,wide-bandgapsemiconductorpowerdevicescansignificantlyimprovetheperformanceofelectronicinformationsystems,andarewidelyusedinradar,communications,fighteraircraft,marineexplorationandotherimportantfields.ThisarticleisbasedonADSsimulationsoftwareforthecircuitdesignandsimulationofaC-bandpoweramplifier,throughthesmallsignalSparameterofthetransistor,tooptimizethedesignoftheinputandoutputimpedancematchingcircuitandbiascircuitofthepowertube,sothattheoveralldesignperformanceMeetthedesignrequirements.Theindexrequirementsareasfollows:Inthefrequencyrangeof5-6.5GHz,thegainisgreaterthan38dB,thegainflatnessislessthan2dB,andtheinputandoutputstandingwaveratioislessthan2.Keywords:poweramplifier;GaN;semiconductor;Sparameter;第1章绪论1.1课题研究的目的及意义射频功率放大器对于无线发射机来说，是一个十分重要的部分。由于在调制电路中产生的射频信号功率较小，所以要想获得满足要求的射频功率信号，就必须经过多级放大电路，最后才能通过天线，将放大后的信号发射。而射频功率放大器就是用来获取满足要求的射频输出功率。如今，射频功率放大器已经被广泛运用到雷达系统、卫星通信、电子对抗等领域，主要是因为它具有工作电压低、效率高、噪声低、线性度好等特点。宽频带半导体功率元器件被广泛应用于民用和军用的雷达、通信等领域，使电子信息系统的性能得到极大提升[1]。C波段是现代雷达系统等领域常用的工作的频段。C波段功率放大器广泛应用于雷达系统等领域中，它可以作为放大模块，应用于全固态集中式发射机中；它可以作为驱动功放，来为发射机提供驱动功率；还可以作为T通道功放，来应用到有源相控阵雷达系统的T/R组件之中。射频功率放大器在相控阵雷达中发挥着重要的作用[2]。高密集组网和全频谱接入技术是5G技术中的重要环节，为了满足5G技术的要求，就必须扩宽频谱和增加建造基站的数目。在5G时代，多种设备都需要升级和小型化，因为功率放大器在5G设备中的占比很高，因此射频功率放大器就显得尤为重要，如今有很多大型公司投入大量时间和精力展开对此领域的研究，其中包含Qorvo、NXP、Gree、UMS、Sumitomo、Ampleon等。随着5G技术的到来，无线通信的相关标准和技术也会跟着不断进步，基站的要求也会变得更高，需要更加集成化、多模化和宽带化等。与此同时，射频功率放大器的要求也要有相应的提高，更加需要满足尺寸小、质量轻、成本低、效率高、输出功率高、线性度好等特点，射频功率放大器的工艺也会随着新技术的到来变得逐渐完善。值得一提的是，在基站的各种设备当中，射频功率放大器的能源消耗占总能耗的比例将近六成，这个比例也就会促使未来移动运营商去积极使用质量轻、效率高、体积小和成本低的功率放大器，已达到减小运营成本的目的。射频功率放大器是射频芯片中尤为重要的部分，使用GaN射频芯片可以突破4G系统因为数据容量和用户激增所造成的“瓶颈”问题，从而可以更好的满足5G基站的要求，也会使网络服务更加便捷。GaN作为第三代半导体材料，其宽禁带、高导热率的材料属性可以很好地满足高频、高温、高功率、高效率的性能要求[3]。在国防和军事方面，射频芯片可以充分的运用在电子对抗、卫星通讯、有源相控阵雷达、微波散射等方面。在射频器件行业，GaN将会展现出更大的商业价值。随着5G技术的不断研究，5G基站不仅仅局限于提供传统的通信业务，而且会支持速率高、数据多和延迟低的网络服务。在基站当中，大部分功耗来自发射链路，通过回退功率放大器的信号，这样可以用来保护整个的通信质量，但这一做法又会降低功率放大器的效率，从而增加了整个通信过程的能源消耗。在5G技术中，使用波段为毫米级，因为拥有较为严重的路损，这将会减小信号所传输的距离，进而导致不得不建造更密集的基站，所使用的波束成形技术将会增加发射链路的规模，因此会增加整个通信系统的总能源消耗。所以，增加功率放大器效率、减小发射系统规模等措施对于基站系统来说就显得刻不容缓。1.2课题研究的研究现状第三代半导体材料是在近十几年发展起来的一种新型宽禁带半导体材料，如氮化镓、碳化硅等宽禁带材料为主要代表[4]。与前几代半导体材料相比较，新一代半导体材料GaN由于具有频率高、效率高、功率高和耐高温的优点，也就使GaN拥有高功率密度、高饱和电子迁移率和高击穿电压等特点，从而可以更好地运用在卫星通信、电子对抗和雷达系统等领域。GaAs属于第二代半导体材料，使用GaAs设计出的功率放大器能够进行高频通信，但在输出功率方面，比第三代GaN功率放大器相差太多[5]。半导体材料中有一个十分重要的特性参数，即禁带宽度。禁带宽度越宽，也就表明半导体材料电子跃迁时所消耗的能量越多，半导体材料就越能够耐高压和耐高温，因此就越难成为导体，性能也就会更加稳定。根据禁带宽度特性参数的差异，半导体材料可以分为两类：宽禁带与窄禁带，GaN就属于宽禁带半导体材料。而且，GaN属于第三代半导体材料的代表，具有多个其它半导体材料所没有的优点，GaN与硅基解决方案相比，GaN拥有更高的功率转换系统效率、更大的功率密度以及更低的成本。GaN材料的运用越来越广泛，这也导致GaN的性能不断在升级[6]。GaN材料也能更好地满足高频、高功率、高效率等特点。因此，目前全世界有很多公司及政府都对GaN材料展开研究，以便能更好地运用在国防军事和4G/5G通信。随着5G技术的发展与进步，在功率效率和设备性能方面就必须达到更高的要求。据相关业内人士估计，中国要建造的5G宏基站的是数目达到500万左右，这些还没有包括数不胜数的小型基站的数目。因为5G技术对发射功率的要求更为严格，因此射频功率放大器也要去满足相应的要求。GaN凭借拥有高输出功率和高频等优点，已经逐渐成为5G基站所使用功率放大器的主流。根据数据显示，中国在2019年所建造的5G宏基站所使用的射频功率放大器的数目已经达到约1850万个，而且在2020年更有可能达到约7380万个，当中使用GaN射频功率放大器的比例就占将近60%。而且，随着5G技术的逐渐成熟，GaN射频功率放大器会更多的运用到手机领域，这将会使射频功率放大器的市场空间越来越广阔。现在，我们可以利用新颖的微波技术和新型的微波器件，开发出来满足各种军事和通信方面要求的射频功率放大器，无线通信技术也得到了长足的发展[7]。5G技术当中具有高度集成的大规模天线技术，它可以运用在射频前端当中，用来达到高度集成化的要求。GaN具有高功率密度的特点，如果将它运用在毫米级波，而且客户追踪功能与覆盖条件相同的话，就可以大大缩小整体方案的规模，从而降低系统成本。由于大规模天线和小型基站的运用越来越广泛，而刚好GaN材料能够更好的适应集成化，这会将GaN的优势充分发挥出来。GaNHEMT在宏基站中已经成为了至关重要的部分。与GaAs和基于硅的LDMOS相比，GaN半导体材料不仅能够满足5G技术中高频网络的功率与效率，还能够提供宽频带特性，因此可以更好的适应多频带载波聚合等技术。在市场经济和国防军事等领域，射频集成电路已经占据了信息技术的关键地位。当今世界各国都积极在射频集成电路领域展开研究，因为这将会严重影响国家的商业以及战略措施。而且，现在全球已逐渐成为一个信息共享的网络时代，射频集成电路方面已成为改善多种信息技术的关键。射频功率放大器用来连接天线与收发芯片，它的性能跟通信系统的多种重要性能息息相关，因此可以说射频功率放大器对于通信系统中射频前端来说是不可或缺的。在5G技术中，射频功率放大器的高效率与良好的线性度可以有效的改善整个通信系统的性能水平，以便改善用户体验。GaN射频功率器件拥有良好的开关速度，在激光雷达系统、无线充电、包络跟踪等新领域都有着很好的应用前景，在扩大产业的供应链，降低成产成本，加强产品稳点性等方面都起到了很关键的作用。给射频工程师提供了更多的灵感，以便他们在将来的射频电路设计中能够做到不断创新。最近几年通信技术在不断飞快的发展，移动通信技术已经不再停留于4G，而是逐步进入5G时代，现在国内外也都在加快研究如何提高通信系统的性能，即提高可靠性与有效性等。射频功率放大器是通信系统中发射机的关键部分，它的输出功率、效率、线性度都将对整个通信系统产生很大的影响。所以，如何在要求的频率范围和输出功率下,尽可能的兼顾效率与线性度已经成为射频功率放大器的重点研究方向。与4G技术相比，5G作为新一代的移动通信技术，5G技术它拥有速率快、延时小、连接数量多等优良特性。随着5G技术的发展，移动通信的质量也会得到进一步改善。而模拟技术则是5G技术中较为重要的部分，模拟技术主要包括毫米波频段技术和同频全双工通信技术，而射频功率放大器就是较为核心的地方，射频功放性能对于5G通信技术来说是比较关键的部分。GaN射频功率放大器的输出等效电容仅有几pF左右，而使用Si或GaAs所设计出的射频功率放大器的输出电阻随工作频率的增加而产生的变化量会比GaN射频功率放大器大很多，所以GaN射频功率放大器经常运用在高频毫米波方面。而且GaN在如今5G基站的建造中可以得到很好的运用。GaN射频功率放大器的开关响应时间很短，这样会很大程度上改善开关功放和设备的效率。图1.1单路基站发射系统结构图上图为基站发射系统的结构图，可以发现GaN射频功率放大器可以很好的应用在通信系统的基站装置之中。单路基站发射系统包括数字处理单元、电源模块、电荷泵与旁路开关模块、降压模块和GaN射频功率放大器。电源模块的作用是给整个系统进行供电；电荷泵与旁路开关模块的作用是对电源模块所提供的电压进行放大；降压模块的作用是降低放大后的电压，以便电压能够更好的适应GaN射频功率放大器的工作要求；GaN射频功率放大器的作用是放大功率信号；数字处理模块与其它相连接，它的输入反馈是GaN射频功率功率放大器所提供的的输出功率，从而可以调节电源模块的输出电压、电荷泵与旁路开关模块的放大系数和降压模块的降压范围。图1.2多路基站发射系统结构图多路基站发射系统结构图如图二所示，该系统可以改善带负载能力和增加功率输出，并且往往要求很多个GaN射频功率放大器提供输出电流。与单路基站发射系统有所不同，该系统多了几个模块，其中发射机的作用是输出射频发射信号到GaN射频功率放大器，多个GaN射频功率放大器进行并行连接就会形成多个射频发射通道，因此可以工作在更宽的频段中，更好的运用于5G基站。因为输入的是动态电压，所以能够充分发挥GaN射频功率放大器的性能，还可以确保损耗的电能很小，从而改善整个系统的效率。1.3本文内容安排射频功率放大器对于无线通信通信、雷达、电子对抗等领域至关重要，如果这方面的技术能够发展的足够成熟，这样就可以减少对国外技术的依赖，制造出的产品不仅可以用于军工方面，而且可以民用。本课题目标是设计C波段射频功率放大器。整个设计主要是基于ADS来展开设计，主要包括直流偏置设计、偏置电路设计、全匹配电路设计、功放级电路设计与驱动级电路设计等。本文主要分为四个部分。第一部分为绪论部分，主要是介绍一下研究射频功率放大器的目的和意义、射频功率放大器的研究现状以及本课题的主要工作内容；第二部分是射频功率放大器的基本理论，主要介绍了射频电路方面的基本理论以及这种性能参数；第三部分是用C波段射频功率放大器的设计，主要介绍了如何用ADS进行射频功率放大器的设计以及相应的原理图和仿真结果图；最后一个部分是对整个射频功率放大器设计的总结与展望。第2章功率放大器的相关设计理论2.1射频电路的基本理论2.1.1射频电路在电子技术领域，射频电路的特点与低频电路有所不同。因为电路工作分别在高频和低频时，其电路特性是不同的，所以掌握射频电路基本理论是很必要的，这样才能够去理解射频电路的相关工作原理。当电路工作在高频时，杂散电容与杂散电感会严重影响整个电路的特性。其中杂散电容是处于射频电路的组件与地之间以及各导体器件之间。而杂散电感则是处于组件和导线之间的内部电感。当电路工作在低频时，杂散电容和杂散电感对整个电路性能所产生的影响较小，但如果不断增加工作频率，那么这些杂散电容和杂散电感对电路所产生的影响将会不断增大[8]。射频电路具有趋肤效应。直流电路中电流是在整个导体器件中流动，但在射频电路中，电流则是在导体的表面流动。所以，直流电路中的直流电阻要小于高频电路中的交流电阻。高频电路还存在电磁辐射效应。如果不断增加工作频率，直到波长能够与电路尺寸比拟时，此时高频电路则相当于辐射体。而且在这个时候，各电路之间、外部环境和电路之间都会产生耦合效应，也就会产生干扰问题。2.1.2S参数S参数，也叫散射参数。S参数是微波电路中十分重要的一个参数。其中，S11称为输入反射系数，即输入回波损耗；S12是反向传输系数，也就是隔离。S21是正向传输系数，即增益。S22是输出反射系数，即输出回波损耗。在分析串行链路时，我们就需要得到正确的S参数，因为S参数展现了传输通道的频率特性，而且我们可以通过S参数去了解传输通道的很多特性。S参数是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，S参数适合用来分析微波电路，通过器件端口的反射信号和从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。在分析电路时，可以使用网络模型来代替基本电路，从而简化电路的输入输出关系，这样就可以减少电路非线性效应和复杂性对我们分析电路问题的影响，在射频电路中，用的最多的就是常见的二端口网络，其中S参数就是最适合的表示方式。S参数描述二端口示意图如图2.1所示。图2.1S参数描述二端口示意图设a(x)为将入射波归一化后的表达形式、b(x)是反射波归一化后的表达式。将a(x)、b(x)同反射系数一起放到二端口网络里，在端口1中，a1(m)表示入射波，b1(m)表示反射波；在端口2中，a2(m)表示入射波，b2(m)表示反射波。根据式(2.1)我们可以得到：式(2.2)矩阵形式为：式(2.3)S11、S22为反射的表达参量，S12、S21是传输特性的表达参数，可以用参数矩阵来表示二端口网络的S参数。该参数矩阵成为散射矩阵。式(2.4)端口1和端口2的各S参数定义如下:式(2.5)式(2.6)式(2.7)式(2.8)2.2功率放大器的设计要点2.2.1功率放大器功率放大器是在一定失真率的条件下，会产生最大功率输出来驱动某一负载的放大器。放大器就是将输入的内容进行放大并输出，而我们称这个输入输出的内容为信号，一般为功率或电压。射频功率放大器设计的核心就是提高效率和输出功率，一般在射频功率放大器中，可以使用LC谐振回路选出基频或某次谐波，从而实现不失真放大。而且，输出中的谐波分量还应该尽量地小，以防止对其他频道产生干扰。按照工作状态的不同，功率放大器可以分为开关型功率放大器和线性功率放大器。开关型功率放大器的电子器件处于开关状态，开关型功率放大器主要分为D类放大器和E类放大器，E类放大器的效率低于D类放大器，开关型功率放大器虽然拥有高输出功率和高效率的特点，但是它的线性度特性很差。线性功率放大器一般工作在高频，相对频带却比较窄，射频功率放大器的负载回路一般都选用选频网络。根据电流导通角的不同，线性射频功率放大器可以分为A、B、C三种工作状态。A类放大器很适合用于小信号低功率放大的情况，而B类放大器和C类放大器都适合用于大功率状态，而效率和输出效率三者最高的则是C类放大器。C类放大器在射频功率放大器中出现较多，但是C类放大器电流波形失真率很大，因为调谐回路拥有滤波能力，这样电流和电压产生的失真就会降低很多，所以负载谐振功率放大时就必须选用调谐回路。2.2.2元器件的选择在射频功率放大器的设计中，晶体管的选择是重中之重，需要我们充分考虑功率放大器的指标要求以及晶体管的性格参数。而且需要我们合理权衡各项指标，来选择合适的晶体管。为了得到较大的输出功率，我们需要选择满足效率高、输入输出阻抗匹配能力好、抗驻波能力强、电流容量大、热阻小这些要求的晶体管，但我们会发现很难同时满足这些要求，这就需要我们权衡各项设计指标。除了这些，还需要考虑输入输出阻抗匹配，因此可以优先去选择拥有内匹配电路的晶体管，这对于功率放大器的设计十分重要。使用高增益高功率的晶体管可以降低整个功率放大器的放大级数，这样可以简化整个电路，而且可以减少成本，改善其稳定性和提升总效率。由于我们不能让晶体管工作在极限参数状态下，所以在设计功率放大器时应该给相应指标留出20%左右的余量，这样可以增加晶体管的稳定特性。为方便起见，在射频电路中的传输线可以选择微带线。2.2.3偏置电路的设计为了使功率放大器能够不失真的进行信号放大，就需要将晶体管的发射结设置为正偏，将集电结设置为反偏。通过设计外部电路，来对晶体管的发射极、集电极与基极的电位进行设置[9]。而为了完成这些功能所设计的外部电路就是偏置电路。偏置电路的主要是用来为功率放大器的各级供给适合的偏置电流，从而找出静态工作点。因为流过基极的电流远远小于发射极偏置电阻的电流，所以，我们可以认为基极电位只由分压电阻阻值所决定，跟晶体管的参数和外部的温度环境没有关系[10]。发射极偏置电阻与基极电位是用来保证静态工作点的稳定。但并不是发射极偏置电阻越大就越稳定，因为当偏置电阻阻值太大时所消耗的功率也很大，而且还会减小晶体管的工作范围，也会使交流放大倍数得到减小。因此当电路工作在小电流状态时，发射极偏置电阻一般为几百欧姆到几千欧姆；而当电路工作大电流状态时，它的阻值一般为几欧姆到几十欧姆之间。2.2.4阻抗匹配网络的设计对于射频电路设计，阻抗匹配是非常重要的而且是需要我们重点考虑的部分。我们能否成功地设计射频功放的关键在于对阻抗匹配网络设计[11]。阻抗匹配大多用于传输线中，主要是用来将高频微波信号传递到负载点，在这个过程中基本没有信号反射回来，因此可以很好地改善能源效益。阻抗匹配包括传输线输入端和输出端工作于阻抗匹配状态，其中输入端阻抗匹配是指信号源内阻和传输线特性阻抗的相位与大小一样，而输出端阻抗匹配是指负载阻抗和传输线特性阻抗的相位与大小一样。解析法是阻抗匹配设计方法当中思路最简单的方法，但也有计算量较大的这个缺点，这个方法主要是利用阻抗变换的关系式，计算出满足要求的电感和电容数值[12]。谐振法是阻抗匹配设计的另一个方法，这个方法主要是把输入阻抗从串联变为并联，再与电感和电容器件相并联，从而可以引起谐振，然后通过构成低通滤波，这样能够使输入阻抗的实部不断增大，最终就可以得到较好的阻抗匹配。2.3功率放大器的设计方法2.3.1S参数小信号分析法S参数小信号分析法。主要是通过负载线法来计算功率管的负载线，最后找出最佳输出阻抗。为了得到最佳输出阻抗的实部，可以在一定电压条件下，利用仿真软件，按照器件资料画出负载线，而且这个方法适用范围较广。多数的功率放大器都是在大信号状态时工作的，在理想情况下，我们应该通过大信号参数来设计功率放大器，但是一般情况下，一些器件厂商只会给出器件的小信号S参数和静态工作点等数据，我们较难知道器件厂商的大信号参数[13]。先通过静态I-V曲线得到在最大输出功率时的负载电阻，然后设计输入电路的匹配电路，来获得所需要的增益及驻波特性，同时设计输出电路的匹配电路，就能获得最大输出功率。2.3.2非线性分析法非线性分析法。这个方法是基于知道功率管器件的大信号参数，然后通过仿真软件来计算出所需要的源阻抗与负载阻抗，以便能够知道功率管的非线性性能情况。但这个方法需要对功率管进行建模，而这个过程较为困难。2.3.3动态阻抗法动态阻抗法。此方法需要使用仪器去测量功率管的动态输入、输出阻抗，然而功率管的输出功率越大，它的输入阻抗和输出阻抗就越小，导致测量难度加大，很难获得较为准确的结果。2.3.4负载牵引分析负载牵引法。负载牵引分析法一般有两种方法：计算机仿真法、负载牵引测试法[14]。通过仪器测量负载牵引，然后在不同负载时去测量功率放大器的输出功率与增益，相应数据不需要手工计算，可以从电脑中获取，但测量负载牵引所使用的仪器价格高昂。2.4功率放大器的主要指标工作频率。工作频率一般是指功率放大器线性工作时的频率范围。如果功率放大器工作的频率是从DC开始的，这种放大器就是直流放大器。增益。功率放大器的工作增益是衡量功率放大器放大能力的主要指标。增益是指功率放大器的输出端口送到负载的功率与信号源实际送到功率放大器输入端口的功率的比值。增益平坦度。是给定温度下，功率放大器增益在整个工作频带范围内的变化程度。输出功率和1dB压缩点。如果功率放大器的输入功率达到某一值之后，它的增益就开始降低，这种现象则表明功率放大器的输出功率已经达到了饱和状态。1dB压缩点就是指功率放大器的增益低于其它增益1dB时的点。效率。因为功率放大器是功率器件，所以需要消耗供电电流。而提高系统的效率的关键则是去提高功率放大器的效率，功率放大器的效率的定义则为功率放大器的输出功率与直流功率的比值。交调失真。交调失真的产生与功率放大器的非线性特性有关，当不同频率或多个信号通过功率放大器时，就会引起混合分量，这就是交调失真。三阶交调截止点。在一定输出功率时，在三阶交调截止点时的输出功率越高，功率放大器的线性度就越良好。动态范围。一般来说，功率放大器的动态范围是最大输入功率与最小可检测信号之差。谐波失真。功率放大器在它的输入信号不断增大到某一值时，从而引起谐波现象。在大功率放大器的设计过程中，尽量会使用滤波器来降低谐波对系统的影响。输入输出驻波比。输入输出驻波比可以展现出整个系统与功率放大器的匹配程度。如果输入输出驻波比没能达到一定要求，就会造成整个系统的增益和时延性能很差。一般在设计的系统时，需要将输入输出驻波比设计为低于2:1。2.5ADS软件2.5.1ADS简介ADS是AdvancedDesignSystem的缩写，即先进设计系统，是美国安捷伦公司推出的电路和系统分析软件。先进设计系统是一种电子设计自动化软件系统，在雷达、无线网络和卫星通信等领域有着十分重到的作用。在BeckhoffTwinCAT系统中，各个软件模块的工作模式与硬件设备差不多，每个模块都可以独立进行工作，为了实现信息的交换，可以使用TwinCATADS来完成这个功能。ADS软件具有非常强大的功能以及非常丰富的模板可供设计者选择，而且它的仿真能力十分准确，因此在工业设计领域中，该款软件得到了广泛的应用。特别是在射频微波领域，也就是工作频率范围在300kHz-300GHz之间的情况下，ADS更受设计者的喜爱。ADS适用于各种类型的射频设计，不仅可以支持民用通信方面的仿真设计，也支持国防领域的仿真设计。ADS软件集成了多种仿真软件的优点，可以实现时域和频域、线性与非线性、高频与低频、数字与模拟等仿真分析。除此之外，美国安捷伦公司还与多家半导体公司合作建立ModelFile和DesignKit，以便设计者使用。如果需要进行数字信号处理、三维电磁仿真和通信系统仿真等设计时，就可以通过ADS软件来实现设计、规划和评估等操作。在ADS软件中，也有通过范例和指令来对电路或系统的设计流程进行示范，也有通过步骤式界面来设计、分析电路或系统，ADS也给其他的EDA软件提供支持，比较常见的有Mathworks、Cadence和SPICE等，它们之间可以进行协同仿真设计，以便提高设计系统的准确性以及便捷性[15]。2.5.2ADS软件的仿真分析法高频SPICE分析和卷积分析。SPICE仿真器不可以直接使用频域分析模型，由于频域分析模型可以通过高频SPICE仿真器之后，进行拉普拉斯变换之后实现瞬态分析，不需要将其模型转换为相应的等效电路，因此高频SPICE分析方法可以通过SPICE仿真器来分析线性和非线性电路的瞬态效应。而且瞬态噪声也可以通过高频SPICE来仿真电路的瞬态噪声来分析[16]。卷积分析方法是SPICE高频仿真器中高级的时域分析方法，它能够利用时域分析方法来准确分析电路中传输线、微带线等元器件。线性分析。线性分析是将各种类型的射频与微波电路经过处理，来进行线性分析的一种频域仿真分析方法。这种线性分析的处理过程是首先将电路中的各种元件的线性参数、反射系数、稳定系数、电路阻抗和增益等进行计算，最后对整个系统进行仿真分析。谐波平衡分析。谐波平衡是分析多频输入信号非线性电路的一种在频域、稳态和大信号状态下的一种电路仿真分析方法，通过这种方法可以获得非线性电路中谐波失真、功率压缩点和噪声等多个电路响应参数。这种方法摆脱了SPICE瞬态分析和线性S参数分析的缺点，当高频电路中存在很多混频电路时，这种方法就显得尤为重要，因此在分析非线性电路时，使用谐波分析方法便显得十分快速和有效。电路包络分析。电路包络分析方法是结合高频SPICE分析方法和谐波平衡分析方法中的长处，当分析低频信号时就利用SPICE仿真方法来进行时域分析，当分析高频信号时就使用谐波平衡分析来进行频域分析，因此，电路包络分析方法在分析电路和系统中的调频信号时就显得十分常见。射频系统分析。射频系统分析可以验证射频系统的线性化和非线性化系统模型，通过这种方法可以让设计者更加准确地对系统进行评估。拖勒密分析。这种分析方法可以处理和分析数字和模拟信号、高频信号的混合系统，设计者可以通过ADS中的通信系统元件模型、数字元件模型和模拟高频元件模型来对电路系统进行仿真分析。电磁仿真分析。电磁仿真分析方法能够用来仿真分析带状线、微带线等器件的特性，也可以用来分析天线的辐射特性。通过该方法分析所得到的S参数仿真结果可以用于谐波平衡分析方法和电路包络分析方法中，实现整个系统电路的设计与分析。第3章C波段功率放大器的仿真设计3.1整体设计方案3.1.1设计指标要求本设计需要基于ADS软件，进行C波段功率放大器的仿真设计，需要完成的设计指标要求如下：(1)工作频段：5~6.5GHz(2)总增益：大于38dB(3)增益平坦度：△G≤2dB(4)输入输出驻波比：小于23.1.2整体方案确定根据功率放大器的工作频率、带宽以及直流供电电压等要求，同时还得结合功率、增益、电路规模、设计成本等因素，最终设计方案选择GaN晶体管，GaN材料是第三代半导体材料的代表，在很多方面的性能都比前两代半导体材料好。GaN材料拥有击穿电压高、效率高、体积小、散热性好和工作频带宽等特点[17]。整个设计分为功放级、中间级和驱动级，在功放级使用GaN功率管TGF2023-2-02，根据下载的数据文件可知，该晶体管在工作频率为3GHz-8GHz时，晶体管的输出功率为41dBm左右，在3GHz时达到最大增益，约20dB。整体使用三级设计，中间级继续使用GaN功率管TGF2023-2-02。驱动级放大电路设计重在提高增益，并保证增益相应的平坦度;而功放级电路设计则侧重于输出功率的保障[18]，射频功率放大器的驱动级使用的SBB5089Z晶体管，这个晶体管的工作频率为60MHz-6000MHz，它的放大倍数最大达到20dB，输出功率为20dBm左右。3.2功放级电路设计根据设计指标要求，射频功率放大器的功放级选择使用的是使用GaN功率管TGF2023-2-02，由于大部分GaN射频功放管的生产公司都不会提供大信号模型，在ADS仿真和设计时缺少库里的DesignKit，所以只能进行小信号参数仿真。在进行小信号S参数仿真设计时，先使用一个二端口的网络代替晶体管，然后下载S2P文件导入二端口网络中进行设计和仿真。由于库里缺DesignKit的缘故，不能对大信号状态进行仿真[19]。3.2.1S参数仿真首先进行预仿真，为了确定器件的可用性[20]。先在Qrovo官网上下载TGF2023-2-02的S2P文件和datasheet，打开ADS软件建立好新工程，连接好电路原理图，然后需要在原理图中加入二端口控件，并将下载好的S2P文件添加到二端口控件中，再用ADS软件中进行S参数仿真。TGF2023-2-01的S2P文件如图3.1所示。图3.1TGF2023-2-02的S2P文件通过ADS建立原理图，将输入输出端口设置为50欧姆，在添加的S-PARAMETERS控件中设置扫描频率范围和步长，频率范围设置为2-8GHz，包含了工作频率5-6.5GHz，步长则设置为1GHz，整个原理图如图3.2所示。图3.2S参数仿真原理图建立好如上图所示原理图之后，就可以点击Simulate进行仿真，在仿真结果界面添加需要仿真的参数，便可得到如图3.3所示的S21和史密斯圆图。图3.3S21、史密斯圆图得到相应的仿真结果之后，可以在图中添加Maker，以便能够更准确的读出需要观察的频率所对应的数据，从图3.3的仿真结果可以知道，左图增益S21在各频率时的情况，在工作频率为5-6.5GHz时，增益达到了8dB以上；右图史密斯圆图中可以观察到S(1,1)、S(2,2)在不同频率时所对应的的归一化阻抗。3.2.2直流偏置仿真根据直流偏置仿真我们可以确定TGF2023-2-02的漏极偏置电压、漏极电流和栅极偏置电压，来确定晶体管的静态工作点。首先在ADS软件的Inserttemplate中选择直流扫描模板ads_templates:FET_curve_tracer，添加二端口控件，加入已下载好的TGF2023-2-02的S2P文件，设置好S参数扫描控件中的参数以及DC控件中的参数，具体电路图如图3.4所示。图3.4直流偏置原理图连接好直流偏置原理图之后，就可以点击Simulate进行仿真，得到直流偏置仿真结果如图3.5所示。图3.5直流偏置仿真结果 仔细研读晶体管的datasheet是ADS仿真设计中十分重要的一部分，在得到直流偏置仿真结果之后，在仿真结果图中添加一个Marker，定位到Vds=28V，Ids约为0.125mA的位置，由图3.5可知，当Vds=28V，Ids=0.110A时，此时和TGF2023-2-02的datasheet中静态工作点时的Idq=125mA基本一致；此时Vgs=-0.400，此时功耗为3.073W。由此可见，功放管功耗还比较大。3.2.3偏置电路设计偏置电路的设计是为了能够给功放管提供正确的工作状态，如果偏置电路能够设计良好，就可以使微波有源器件能够实现良好的性能，否则，微波有源器件的性能就会满足不了设计要求。为了在加入偏置电路之后，不影响原匹配网络电路的性能要求，所以在处理微波信号时，就需要将偏置电路设置为开路。在对射频功率放大器进行设计时，我们需要设计直流偏置电路，直流偏置设计一般包括漏极馈电设计和栅极偏置设计。其中栅极偏置电路的主要功能如表3.1所示。表3.1栅极偏置电路主要功能栅极偏置电路主要功能提供正反向栅极电流提供稳定的栅源电压去耦滤波使功率管工作在稳定的工作状态阻止漏极信号耦合到栅极限制栅极电流，防止器件击穿，并在栅源正向偏置时起保护作用在栅极偏置电路设计时，需要进行一个四分之一波长匹配，在输入输出端口设置为50欧姆，而且整个电路需要并联三个电容来实现滤波功能，经过计算将三个并联电容分别设置为39uF、39nF和39pF，用来对低频、中频和高频进行滤波。由于扇形微带线具有较好的性能，故用扇形微带线来代替开路电路。具体电路图如图3.6所示。图3.6栅极偏置电路原理图建立好栅极偏置电路原理图之后，点击Simulate进行该部分的仿真，栅极偏置电路仿真结果如图3.7所示。图3.7栅极偏置电路S参数仿真曲线由图3.7所示，在5-6.5GHz时，S21几乎为0，说明能量可以很好的传入晶体管；S11小于30dB，说明输入回波损耗很小；S22小于30dB，说明输出回波损耗很低；S12几乎为0，说明插入损耗很小，整体表明该匹配设计满足设计要求。漏极馈电电路的主要功能如表3.2所示。表3.2漏极馈电电路主要功能漏极馈电电路的主要功能为漏极提供合适的电流滤除低频信号、高频信号和部分谐波信号提供稳定的漏源电压即使不在工作频段内，使器件能够工作于稳定状态防止漏极信号进入到栅极漏极馈电电路原理图如图3.8所示。图3.8漏极馈电电路原理图图3.9漏极馈电电路S参数仿真曲线由图3.9所示，在5-6.5GHz时，S21几乎为0，说明能量可以很好的传入晶体管；S11小于20dB，说明输入回波损耗很小；S22小于20dB，说明输出回波损耗很低；S12几乎为0，说明插入损耗很小，整体表明该匹配设计满足设计要求。3.2.4全匹配电路设计从微波理论来讲，如果一个网络和负载阻抗良好匹配，则网络的输出阻抗值将和负载阻抗的共轭复数值是相等的。通过分析GaNTGF2023-2-02的datasheet所提供的参数，计算出输出阻抗，再使用ADS软件进行仿真，利用史密斯圆图匹配法得到输出匹配电路，也就是把负载阻抗匹配到50欧姆。最后可以我们可以得到全匹配电路原理图，如图3.10所示。图3.10全匹配电路原理图图3.11全匹配电路仿真结果由图3.11仿真结果可以得出，在5-6.5GHz时，增益均大于15dB，且增益平坦度△G<=2dB。增益S21基本在16db上下轻微波动，且增益平坦度△G<=2dB。且由StabFact1中可知，在5-6.5GHz中，稳定系数均大于1，故在该频段稳定。3.2.5功放级电路利用ADS射频设计仿真软件的传输线计算工具LineCalc来计算微带线的尺寸，再加上栅极偏置电路和漏极馈电电路后，最后组成的功放级电路如图3.12所示。图3.12功放级电路原理图图3.13稳定性仿真曲线无论任何的功率放大芯片，器件内部元件不合理匹配导致的不稳定性，很有可能产生自激效应而导致管子的烧毁[21]。由图3.10稳定性仿真结果可见，在5-6.5GHZ频率范围内，其K值均大于1，故在此频段稳定。图3.14S21、S11、S22曲线由图3.14可知，在5-6.5GHz范围内，增益大于14dB，其增益平坦度基本上满足△G<=2d。从S11、S22中可以看出，输入输出驻波比小于2:1，满足设计要求。3.3驱动级设计射频功率放大器的驱动级使用的SBB5089Z晶体管，这个晶体管的工作频率为60MHz-6000MHz，它的放大倍数最大达到20dB，输出功率为20dBm左右。驱动级S参数原理图如图3.15所示。图3.15驱动级S参数仿真电路图图3.16S参数仿真结果由图3.16的S参数仿真结果可知，驱动级可以达到16dB左右的增益，满足驱动级的基本要求。3.4整体设计C波段功率放大器的整体设计分为功放级、中间级和驱动级，在功放级使用GaN功率管TGF2023-2-02，中间级继续使用GaN功率管TGF2023-2-02，射频功率放大器的驱动级使用的SBB5089Z晶体管，最后C波段功率放大器整体设计S参数仿真原理图如图3.17所示。图3.17整体设计电路原理图图3.18整体设计仿真结果图图3.19输入输出驻波比由图3.18仿真结果可得，在工作频率为5-6.5GHz时，整体增益达到了38dB以上，且增益平坦度小于2dB，由图3.19仿真结果可见，输入输出驻波比小于2。综上，满足整体设计要求。第4章总结与展望本文是基于ADS软件来设计一款C波段射频功率放大器，新一代半导体功率器件GaN高电子迁移率晶体管具有宽禁带、高击穿场强、高功率密度等优点，理论上特别适合应用于高频、高功率的功率器件的场合。因此可以可以明显提高电子信息系统的性能，广泛应用于雷达、通信、战斗机、海洋勘探等重要领域。整个设计需要掌握的理论知识主要有射频电路基本理论、二端口网络S参数、射频功率放大器的一些基本设计方法等。设计射频功率放大器时，需要结合功率放大器的输出功率、工作频率等要求，选择先分级设计，然后再将各级级联的设计思路。本文所设计的功率放大器的功放级使用的是GaN功率管TGF202-2-0