【《射频功率放大器射频功率放大器的设计分析案例》6300字】

射频功率放大器射频功率放大器的设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u18198射频功率放大器射频功率放大器的设计分析案例 1173711.1射频功率放大器的设计 1326601.1.1射频功率放大器设计步骤 17021.1.2射频功率放大器指标 2125261.1.3射频功率放大器的设计的难点 2121081.1.4元件的选择 3188381.2射频功率放大器的设计与仿真 5271291.2.1ADS系统描述 5278361.2.2静态工作点的选择 6254981.2.3功率放大器的稳定性判定 7165731.2.4偏置电路的设计 8262501.2.5Load-Pull和Source-Pull 9302561.2.6阻抗匹配设计 10230491.2.7匹配电路的优化 12297771.2.8合路仿真测试 131.1射频功率放大器的设计这一节将在后续对于基本设计工作流程中将主要针对各种RFPA的基本设计困难和特点、偏置工作条件、和常用元器件等问题进行详细化的介绍。其中所需要选取的PA晶体管技术作为产品设计与开发制造的一个重点和重要技术上的难点,其技术和工艺性能的品质优劣均直接严重影响着整个PA的正常运行工作。偏置控制方式一般采用的是有源偏置,这样才真正能够保证得到良好的操作系统稳定。在开始进行它的设计时候就应该首先从总的设计角度对它进行完全的从局上的考虑,再对各方面影响因素进行了充分细化。1.1.1射频功率放大器设计步骤在整体射频模块的整合过程中,除了掌握整体性能与各组件的适合性外,还要克服电路间彼此干扰及匹配的问题[63]。电路布局适当与否也是影响成败的关键,既要避免信号间耦合,又希望尽量缩小电路面积,任何一个环节都是彼此相连且环环相扣,所以设计过程可以说是相当繁琐[64-66]。因此在这里为大家提出一套有效的模块化设计工艺流程图，如软件框架1.1所示，以供作为模块化电路的设计参考。但是当一个整体的PA电路中存在有某些特殊性能或者是不合规格的问题时,不得己地在这种情况下就需要将其中的关键部件重新进行选择。图1.1射频功率放大器设计步骤1.1.2射频功率放大器指标工作频率：840MHz-860MHz输出功率：1W（30dbm）三阶互调谐波抑制：-20dBc增益：10dB1.1.3射频功率放大器的设计的难点在设计功率放大器,特别是这样不是民用的频段,功放管器件厂商一般都不提供最佳的负载阻抗值和源阻抗值。在实际测试过程中,由于受到器件寄生效应和电磁干扰等影响,测试结果一般都不是很精确,因此只有通过仿真软件对器件的大信号模型进行建模仿真,提取相关的参数值。由于器件的非线性效应,也不是特别的精确,只能作为设计的初步雏形。最后需要经过耐心调试,才能设计出一致性和稳定性的产品。射频功率放大器的稳定性是确保系统能工作的第一步,但是由于受到器件、寄生效应、电磁干扰及电源不稳定等等都是引起不稳定的重要因素[67-68]。由于功率放大器工作在频段,除了工作频段,在低频和高频都会引起功率放大器的不稳定。所以,设计过程中要处处留意功率放大器工作有无异常状态,防止自激。这就需要进行良好的输入输出之间的匹配,既要保证增益大小又要较少损耗。设计的电路采用功率合成的方法,这种电路要有良好的对称性。如果不对称,电路由于相位的叠加,在输出端输出功率将会减小。由于电路在高频工作,器件受到趋肤效应的影响,寄生效应在设计过程中是一个需要考虑的重要因素。这就需要良好的布局和布线。布局和布线涉及到很多因素,比如元器件的摆放、朝向以及线宽都是需要考虑的重要方面。1.1.4元件的选择设计射频功率放大器的第一步就是选择合适的功率晶体管,然后进行阻抗匹配,使放大器工作在最佳状态。选择晶体管时,应根据设计要求的性能指标、晶体管性能参数和其它现实条件进行选择。通过与设计所需要的指标进行对比选择满足关键指标的晶体管。晶体管的工作频段是决定晶体管是否可用的关键因素,只有满足放大器设计工作频段的晶体管才可能被选用。为了得到大的功率输出,应选用电阻小、电流容量大、效率高、输入和输出阻抗匹配能力好的晶体管。为了提高效率,应选用集电极耗散功率比所需要的输出功率大一倍以上的功率晶体管,并设法使耗散功率在晶体管内部的分布均匀。提高双极晶体管的功率增益具有重要的现实意义,因为高的功率增益可以减少放大器的级数,从而可以减小体积、重量和降低成本等。采用功率增益大的晶体管还可以在输入信号功率较小的情况下,输出预期的功率,因而有利于提高放大器的效率。功率增益与特征频率是晶体管随频率升高最佳功率增益下降到时的频率,它是晶体管的最高使用频率限制,与输入和负载阻抗、寄生电感和输出电容等有关。因此为了提高功率增益,应采用再高的晶体管,并将晶体管的输入输出阻抗进行预匹配处理,以使寄生效应减至最小。输出电容是一个负反馈元件,它可以使增益降低并且使输出信号分路,从而降低所需的负载电阻,因此,我们应当优先选用输出电容小的管子。将晶体管的输入输出阻抗进行预匹配处理,以使寄生效应减至最小。因此,我们应当优先选用输出电容小的管子。另外,在选取管子的时候要留有一定的余量,不能在极限参数条件下使用,特别是管子的结温应当留有充分的余量,因为管子在功率放大电路中,给负载输送功率的同时,管子本身也要消耗一部分的功率。管子消耗的功率直接表现在管子的结温升高。当结温升高到一定程度以后,就会使管子损坏,因而输出功率受到管子允许的最大集电极损耗的限制。值得注意的是,管子允许的功耗与管子的散热情况有密切的关系。如果采取适当的散热措施,就有可能充分发挥管子的潜力,增加功率管的输出功率。反之，就便会使因为结温过高导致机械零件受到破坏。综合以上考虑在进行设计晶体管的同时,选用飞利浦公司生产的功放管BFG591来进行对RFPA的设计。如图1.2：图1.2BFG591晶体管模型及封装示意图选择电容需要注意其电容的容差,一般须择容差小性能好。为了使工作稳定,电阻最好使用金属膜电阻。金属膜电阻对有良好的温度特性。1.2射频功率放大器的设计与仿真1.2.1ADS系统描述ADS（AdvancedDesignSystem）是Agilent公司自主推出的新一代EDA系统设计服务平台,给广大用户提供了从系统综合、系统仿真再到完全实现无线通讯系统软件设计的解决方案,使得用户在生活中能够更加方便有效地进行各种硬件系统的学习和研究开发。ADS应用提供了一系列独特的应用功能,是其他任何EDA应用工具所不可能拥有的。它主要用于可以针对各种DSP通信电路、射频测试电路、光电子电路通信与通用微波电路器件等的系统设计方案进行联合仿真、优化与设计实验经经验证它们还不仅可以为各种通信控制系统中射频基带部分与通用射频测试电路连接部分之间连接提供各种联合并行仿真,可以大大小幅度地有效提高通信系统联合仿真的技术精度,节约了系统开发成本钱与时间它们还不仅可以很好地方便地将整个DSP射频电路的系统结构电路框图及其整体设计综合为一个VHDL电路器件;ADS可方便的与各种通用射频电路检测测试仪器互相进行连接,使得通信系统即便本身只有一些软硬件的重要电路参数保留在内,也同样能够同时进行射频测试,这样就大大提高了通信系统在技术研究和设计开发的整个过程中所具备需要的技术灵活性;ads电路提供了大量的系统仿真库与各种行为统计学虚拟模型,具有对ADS电路参数模拟分析的重要功能,给予了系统设计师以强有力的仿真技术理论支撑。再者它对于系统硬件的性能限制程度要求很低,可以方便地直接应用于诸如PC单机和UNIX操作系统等其他多种类型的操作系统平台。1.2.2静态工作点的选择任何一个晶体管在不同的偏置电压状态下,输入和终端送回的输出阻抗都不一样。所以,在开始设计一个互相匹配的控制电路前就通常需要首先仔细确定一个管子上的几个静态点。由2.1.2节我们已经可以清楚得知,静态晶体管工作点的选择位置与其它的选择直接相互影响关系到了整个晶体管的正常运行和具体工作状态模式。在此基础上重新设计了一种RFPA。为了有效保证射频晶体管的信号线性稳定程度,使得RFPA能够正常可靠地工作于AB类射频状态。图1.2A类放大器工作原理图图1.3直流仿真模型图1.4静态工作点的仿真结果如图1.2所示。由此从电路图中我们不仅可以清楚地明显看到,在C极附近需要增加12伏直流稳压电源,其中C极的最大工作输出电流大约为38mA。射频信号放大器的直流偏置方式结构,一般均用的是直接采用共用发射极的偏置方式。在高频旁路运行器件工作时通常由于需要同时并联一个高频旁路振荡电容,会直接导致振荡使得功率晶体管内部电路有很可能因为出现高频产生不稳定的振荡状态而对PA内部造成较大的高频振荡。所以在一般的应用情况下,在设计一个相应的超大功率微波信号发射放大器,发射极一般也都是直接或者有间的接到地。1.2.3功率放大器的稳定性判定从上述分析中我们得以可知,功率射频放大器的具有高度射频稳定性,这一点就是我们现在设计RFPA时的考虑重点。为了能够使其器件能够在各种输入和输出工况下同时得到所有必需的功率信号,设计过程中的各种功率信号放大器器件应该在其输入工作频率上必须保持一种绝对性的稳定,防止信号自激。但是因为热噪声、电磁干扰和激光辐射等多种原因而直接导致的辐射器件异常发生时的辐射均匀性有时也可能会直接导致整个PA本身受到严重伤害。图1.5稳定性仿真结果从图1.5可知晶体管BFG591在工作频率段850MHz的稳定系数,因此处于绝对稳定状态。但是在低频输出由于受到寄生效应的干扰,晶体管,很快就有可能产生振荡另外,从这个仿真示意图中我们可以清楚地看出,在高频输入的信号处于一个绝对稳定的状态,但是在实践中并没有办法说明,只要在高频条件下射频功率放大器才能够保持稳定地工作,额外的其他因素也就有可能导致自激。所以在实践的过程中,我们必须通过一些方法进行处理,保持一个功率放大器的绝对稳定地工作。1.2.4偏置电路的设计偏置电路的设计是为了给功放管提供稳定的供电电压，让其设备能够正常运行工作并达到所有必需的稳定的源运行电压状态,但是它并没有直接性的影响输入到整个射频输出信号的正常传输,所以从射频输出输入端向偏置输出电路反过来原理看去的总源电流电压阻抗必须应该是高的。(厄射通直)。本文的高频设计电路需要是力求其信号中心的高频点范围是850MHz,带宽阻抗范围一般是20MHz,属于小型窄带高频功放,偏置方式电路设计采用四分之一的频率波长微带线偏置方式可用来直接实现低带宽阻抗的高频状态。如图1.10所示,在一个功放管的两个输入偏置中,开始偏置串联了一个的退耦电阻,四分之一的退耦波长在断线后再依次增加18PF作为退耦来源电容,1nF为一个退耦来源电容后它除去了退耦电源的内部纹波,后面100pf为一个储能退耦电容。在整个信号波长输出的偏置中,由于没有漏极28V时的供电栅极电压,微带线的栅极宽度所以要求可能需要远大于栅极电压供电的微带线,根据实际应用情况可以进行开关设置,四分之一的信号波长微带线仍然应该是一个加了衰退耦和一个除去储能纹波耦的电容,在一个储能纹波电容上,加了两个的电容,若储能电容太大,会直接造成导致整个信号板和功率板的输出电压不足,电容太小过大会直接导致使得整个信号板的封装面积过大,从而直接造成整个焊盘的焊层表面积变得不够。1.10输入偏置1.2.5Load-Pull和Source-Pull在匹配电路设计中，首先需要得到BFG591功放管的负载阻抗和源阻抗的值。在使用ADS模拟仿真的开发软件中,使用了多种负载驱动牵引式模拟仿真软件模型,经过多次迭加替代式模拟仿真才终于能够准确寻找合适的绕组阻抗收敛点,此外在仿真进行过程中我们常常需要不断地用力去进行调整和不断改变由于绕组中两个圆心的不同位置及其收敛半径的不同大小,使得等精度功率圆与等精度效率圆中绕组的圆互相收敛而且由于绕组中两个圆心的半径相距较远,若模拟仿真的相应区域太大就会出现不同的收敛,则结果可能是通过不断减少或者较多降低归一化的绕组阻抗和通过增加或者较少减小模拟仿真的相应区域。在每个圆图控件中心的一个高频点850MHz处,VAR控件的手动设置可使圆形图归一化的圆心半径约束值为0.4,圆心值为0.19-j*0.57,阻抗变化系数大约为,如图所示。图1.6loadpull如图1.7所示，在多次优化仿真后，单管最大输出功率为50.8dBm时最佳负载阻抗值为1.95-j*7.943（）单位，最大功率附加效率为66.05%时最佳负载阻抗值为2.33-j*6.94（）单位图1.7loadpull仿真结果1.2.6阻抗匹配设计射频信号的交流传输微带线路的特征防御阻抗基本都应该是50欧姆,在目前进行负载射频特征阻抗匹配的系统设计中,需要将每个无线负载射频特征防御阻抗50欧姆经集总参数下的电容与分布式集总参数下的微带电容进行一次联合转换匹配,得到BFG591单管最优无线负载射频特征防御阻抗的共轭匹配值(共轭值的匹配),由上一节设计中的LoadPull牵引电路系统框图可以直接得出每个单管最优射频负载特征阻抗的共轭匹配值为,其中匹配公式为。如下图4-19所示,从一个负载50欧姆电容开始对两个电容匹配进行自动匹配,从右至左依次对两个电容匹配进行,先是通过串联两个隔直的混合电容,一般电阻设定为18PF,再通过在两个相等于1的单管内阻上串联不同进入输出稳压电源线长度的微带线和两个并联集成电总参数的混合电容带线来进行接地,最终将这些电容匹配转化成单接双管最好的混合负载电容阻抗共轭平均值图1.8SmitchChart圆图响应从如上图1.8已经可以清楚地明显看出,整个负载最佳传输阻抗的综合匹配设计过程中,都已经是在一个圆中Q值为2的圆内对其数值进行了综合设计,q中的值与整个PA电路的系统运行状态稳定性和整个负载的传输带宽都已经有着一定的密切联系。设置生成工作全部完成后,点击按BuildADSCircuit右键即可自动生成基于ADS框图中的基于原理的框图,添加了在s中的参数与模拟仿真的各个相关处理控件,此外ADS中在原理的框图中将每个它们相邻的微带线都被系统默认地设为处于理想的稳定连接情况状态,而且在许多实际射频电路中这种不连续的连接情况也可能会直接性地造成它们相邻的每个射频模拟信号能量损耗,为了尽量多地保证每个模拟微带线的稳定连续性,应适当的设置在每个原理图和框图中微带线之间分别增加了MTEE和MSOBND等相关器件,如下图1.9所示。为了最终的与实物进行匹配综合制作使该过程更加具有实际可行性,需要将不同的模拟电长和不同阻抗长度取决于实际值的微带线互相进行换算为实际值的长度和宽,匹配制作过程如图中的实际理想模拟电容数量应该主要是通过参照图中现有的实际理想电容互相进行替换,把理想电容和微带线互相设置为一个固定可变的综合参数并用来对其进行综合优化,完成最终的匹配模块。图1.9输出匹配电路原理图1.2.7匹配电路的优化如图1.10为滤除2次谐波（1700MHz）的双T型陷波电路，通过Multisim进行仿真可得电路的幅频曲线如图1.11。图1.10双T型陷波电路图1.11双T型陷波电路的幅频曲线频率（MHz）840845850855860增益（dB）12.2312.2512.3112.3812.361.2.8合路仿真测试在上述偏置控制电路以及各个输出增益匹配偏置电路预先确定好的工作范围完成以后,进行最后一次合路组件仿真进行测试,通过利用网络分析仪器和组件仿真模块对各种射频和大功率信号放大器的输出增益和功率平坦性分别进行了仿真测试，电路原理图如下图1.10。图1.10射频功率放大器原理图仿真得到的结果如下图1.11为所设计放大器的AM-AM曲线，以