微波功率放大器的仿真设计本科论文.doc

陕西理工学院毕业设计 毕业设计题 目 微波功率放大器的仿真设计 学生姓名 学号 所在学院 物理与电信工程学院 专业班级 电子1201班 指导教师 完成地点 物电学院实验室 2016 年 05 月 30 日 微波功率放大器的仿真设计 学生：（陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程专业电子1201班级，陕西 汉中 723000）指导老师： 摘要：随着现代无线通信的发展，微波功率放大器已成为微波通信设备的重要部件，它的性能优劣在很大程度上影响着通信质量，在整个无线通信系统中是非常重要的一环，因为他的输出功率决定了通信距离的长短，其效率决定了电池的消耗程度及使用时间。因此，对微波功率放大器的研究和设计越来越受关注。 本文分析了微波功率放大器的基本原理，运用负载牵引原理找出功率放大器最大输出功率时的最佳外部负载阻抗，运用Smith圆图建立输入匹配电路和输出匹配电路，将理想传输线转化为实际微带线，进行优化调谐，最后设计出大信号微波功率放大器。利用ADS仿真软件对设计结果进行仿真验证，仿真结果表明所设计的微波功率放大器在0.960GHz的频率上增益达到18dB以上。 关键字：微波功率放大器;优化设计;ADSSimulation design of microwave power amplifier n (Grade 12,Class 1,Major electronics and information engineering ，Electronics and information engineering Dept.，Shaanxi University of Technology，Hanzhong，723000，Shaanxi)Tutor: Je Abstract:With the development of modern wireless communications, microwave power amplifier has become an important part of microwave communication equipment, the merits of its performance largely affects the communication quality. It is a very important part of the entire wireless communication system, because it determines the length of the output power of the communication distance, which determines the efficiency of the battery level of consumption and the use of time. Therefore, the microwave power amplifier research and design more and more concerned. This paper analyzes the basic principle of microwave power amplifier, using load pull to find the best principles of external load impedance amplifier maximum output power, establish input matching circuit and an output matching circuit with Smith Chart,make the ideal transmission line into actual microstrip line, and tuning optimization. Finally,design the large-signal microwave power amplifier. Verify the result of design simulation with ADS simulation software, the microwave power amplifier design simulation results show that the frequency of 0.960GHz gain of 18dB or more. Key word:microwave power amplifier； optimization design；ADS 目录1引言12 微波功率放大器的非线性特性22.1单级功率放大器的非线性分析22.2微波功率放大器线性化技术52.2.1反馈技术52.2.2前馈技术52.2.3预失真技术53 微波放大器的基本原理63.1微波功率放大器的增益63.2 微波晶体管放大器的稳定性84 使用ADS软件进行微波功率放大器的设计与仿真94.1 微波功率放大器的设计步骤及参数94.2 直流扫描94.2.1 插入扫描模板94.2.2 放入飞思卡尔元器件模型104.2.3 扫描参数设置114.2.4 仿真并显示数据124.3 稳定性分析134.3.1 原理图的建立134.3.2 稳定性分析154.4 Load - Pull154.4.1 插入Load - Pull模板154.4.2 确定Load - Pull的负载阻抗164.5 Source - Pull174.5.1 插入Source - Pull174.6 Smith圆图匹配194.6.1 输出匹配电路的建立194.6.2 输出匹配理想传输线转化微带线214.6.3 输出匹配电路生成Symbol模型244.6.4 输入匹配电路的建立244.6.5 输入匹配电路理想传输线转化微带线264.6.6 输入匹配电路生成Symbol模型264.7 偏置的设计264.8 原理图S参数仿真284.9 原理图HB仿真304.10 原理图优化调谐32结束语34致谢35参考文献36附录A:外文文献37附录B:外文文献翻译421引言在现代微波无线通信系统中，信息传输在多载波、大容量、高速度的方向发展迅猛。微波功率放大器在性能上较大程度的影响着通信的质量，它是无线通信设备的重要部件。当微波功率放大器的增益减小，会引起输出功率的下降，进而引起信噪比降低，或着通信距离减小；三阶互调失真大，对时分数字通信设备而言，会产生码间串扰，增大误码率；功放泄漏还会引发自激，致使工作状态不稳定，严重时甚至会中断通信1。性能优良的功率放大器，除了要进行精确合理的电路和结构设计外，还必须要有良好的生产工艺作保证。就应用领域而言，射频功率放大器用途广泛，在通信、雷达、卫星地面站、导航、电子对抗设备中都需要它2。如射频功率放大器在有源相控阵雷达中就充当着重要的角色。射频功率放大器作为侧R组件的重要组成部分，直接决定着各项技术参数；固态发射机的制作也离不开射频功率放大器；射频功放在在电子战中也有着至关重要的作用，它可以制成有源诱饵，让飞机躲过导弹的攻击，射频功率放大器在通信系统中广泛用于小功率或低数据率终端，它的效率在很大程度上决定着3通话的长短和待机时长。射频功率放大器有很多优点，它体积小、重量轻、耗电少、可靠性高、相位特性好，且一般都在50欧姆的微带线上进行调试。总之，需要对射频信号进行功率放大的设备中都离不开射频功率放大器。从上文中不难看出，具有较高的效率和较大的输出功率是一个好的功率放大器应该具备的基本条件。不仅如此，它还要符合增益、宽带、以及稳定性的要求4。在设计中不得不着重考虑放大过程中产生的非线性失真，这是因为功率放大器处在大信号状态。因此，在设计功率放大器时要选择合适的功放管、正确确定工作状态、认真设计匹配网络并且选择合适的电路等。 本次毕设设计的课题就是微波功率放大器的优化和设计。在设计前通过第二章来说明微波功率放大器的非线性特性和几种常用的线性化技术及其基本原理，接下来通过第三章说明微波功率放大器的设计原理，最后在第四章叙述了0.960GHz功率放大器的研制和设计，以及用ADS软件对其进行优化仿真。本次PA设计参数如下频率：960MHz 输出功率：40W 输入功率：1W效率：>40% 电源电压：28V根据设计要求，选择了飞思卡尔的LDMOS功率管MRF8P9040N。功率管MRF8P9040N的主要指标如下频率：7001000MHz 电源电压：28V 输出功率：40W增益：19dB 2 微波功率放大器的非线性特性当微波功率放大器工作在大信号情况时，其幅度和相位特性的非线性会引起信号失真，产生互调和相位噪声。2.1单级功率放大器的非线性分析假设有一功率放大器，该放大器具有非线性，其输入、输出特性如图2-1所示。图2-1 输入输出特性PinPout其输出电压可以用输入电压的幂级数表示，即 （2-1） （2-2）则变为 （2-3）那么基波功率为（nw） （2-4）输入功率为（nw） （2-5）定义增益为 （2-6）定义线性增益为 (2-7)那么1dB压缩点增益为 (2-7) 利用上式可求得 (k3<0) (2-8)把（2-8）式代入（2-4）求出1dB压缩点功率 （2-9） (2-10)则（2-1）式变成 （2-11）由上式可见放大器输入、输出频谱如图2-2所示，从图2-2可以看出，非线性放大器会产生许多杂散频率，其中在频带外,而在频带内，即为交调产物。 放大器线性部分的延长线与三次交调产物线性部分延长线相交点的输出功率为截断点，该点是衡量放大器线性的一个参数。如图2-3所示。设两个三次交调产物功率和为，两个基波线性输出功率和为，两基波输出功率和为，两基波输入功率和为，则 (mW) (2-12) (mW) (2-13) (mW) (2-14) (mW) (2-15)令 ，得 ，代入（2-13）式则 （dBm） (2-16)由上述关系还可以导出 (2-17)整理（2-12）式可得 (2-18)式中 (2-19)解（2-18）式得 （j=0,1,2） (2-20)上式成立条件为。当时， ，并以此为据从（2-20）式中选取合适的解，其中 cos=1.51875y-1 (2-21)令 则 (2-22)将（2-22）式代入（2-12）、（2-13）式，得 （dBm） (2-23) （dBm） (2-24)将（2-23）、（2-16）式代入（2-17）式得 （dB） (2-25)这样，利用（2-19）、（2-21）、（2-22）、（2-25）式即可求出放大器的交调。2.2微波功率放大器线性化技术 在通信系统中微波功率放大器是一个不可或缺的重要部件，但功率放大器的非线性导致通信系统带外的频谱杂散、旁瓣再生却难以避免；并且非线性失真信号给带内也带来了失真影响，影响接收机的比特误码率。随着无线通信的飞速发展，线性调制技术得到越来越广泛的应用。通过采用一些可靠的线性化技术以此来消除微波功率放大器的非线性失真。提高放大器线性度最简单的方法是功率回退法。就是让放大器工作在甲类，并降低工作电平，直到得到所要求的线性度5。目前主流的线性化技术主要有三大类，即反馈技术、前馈技术与预失真技术，下面就简单介绍一下这些技术的原理。2.2.1反馈技术将RF输出信号直接反馈到输入端，通过反馈来达到对IM产物的抑制，即RF直接反馈法，常用于低功率放大器，其应用受到工作频率和输出功率的很大限制，反馈环上的有限时延限制了带宽6，而且，这种方法难以实现多级反馈。在更高电平上，反馈网络耗散很大，不得不使用高功率电阻，增加了成本和结构复杂性。2.2.2前馈技术前馈技术比反馈技术提出的早，是一种宽带线性化技术。前馈技术基本原理是通过将主功率放大器产生的失真信号样本前馈到放大器输出端，来大量抵消放大器输出端的失真信号。2.2.3预失真技术 预失真技术是一项通过产生输入信号的互补信号，来消除RF功放的非线性失真的线性化技术。在TV发射机（中频预失真）及TWT放大器（RF预失真）中已经成功地运用预失真技术来校正三阶交调失真。大体上可以将各种线性化方法归成两大类，就是开环技术和闭环技术。各种反馈等都可以被看成是闭环系统，它们具有很高的线性化能力，可以在满足一定频谱抑制的同时，得到较好的功率输出和效率，但由于受到调制带宽的严重限制，通常局限在单载波系统的设计中。预失真技术则可以认为是一个开环系统，它虽然没有闭环系统的校正精度，但是它能够处理的多载波信号调制带宽非常宽，也不存在制约闭环系统固有的稳定性问题。并且它易于实现且成本较低，适合于在便携式系统等要求廉价且容量大的通信系统中使用7。3 微波放大器的基本原理在微波放大器的设计中都希望能够提高放大器的增益，并且要做好防止自激的措施使得放大器能够可靠地工作，这也是整个设计中很重要的一个点。因此在放大器的设计中增益和稳定性都是需要重点关注的问题，且对两个问题的研究具有普遍意义。噪声虽然在有的放大器的设计中不是主要考虑的技术参数，但也是性能优良为上，是放大器设计中值得重视的问题。在微波放大器的设计中是尽力避免噪声的，微波放大器的设计中都需要设计输入、输出匹配电路，所以在本章后面对输入、输也匹配网络的几种主要形式进行了研究8。3.1微波功率放大器的增益ZsZLVs晶体管S 图3-1 微波晶体管的增益计算微波放大器增益包括实际功率增益、资用功率增益、传输功率增益。增益中的参数在晶体管这个二端口网络中的含义如图3-l所示。（1）实际功率增益 （3-1） （3-2） 其中是负载吸收功率，即实际到达负载的功率，是送进微波放大器输入端的功率，是负载反射系数，S11、S22、S12、S2l是功率管的S参数，以下相同。从中可见实际功率增益只与功率管S参数和负载阻抗有关，而与输入端口的匹配程度无关。应用式(2-1)便于研究负载变化对功率放大器的影响8。 （2）资用功率 （3-3）是放大器的输出资用功率，即在放大器的匹配负载上能够获得的功率，也是放大器在信源阻抗下的最大输出功率值。是信源的资用功率，即信源的最大输出功率。是源反射系数。可见资用功率增益只与晶体管S参数和信源阻抗有关，而与输出端口的匹配程度无关。应用式(2-2)便于研究信源阻抗变化对放大器功率增益的影响。的物理意义是：插入放大器后负载可能得到的最大功率是无放大器时可能得到的最大功率的多少倍。而实际放大器在输入、输出端不见得是共扼匹配的。只是表示放大器功率增益的一种潜力。当在输入端口满足共扼匹配时，达到最大值8。（3） 传输功率增益 （3-4）上式体现了正向传输、输入匹配程度、输出匹配程度以及反馈等因素对增益所起的作用。的物理意义为：插入放大器后负载实际得到的功率是无放大器时可能得到的最大功率的多少倍。 三种功率增益之间有以下关系： （3-5） 式中的M1，M2分别为输入端和输出端的失配系数。可证明： （3-6） （3-7） 可以看出，当三个功率增益中只要知道其中一个，便可以计算出另外两个。正常情况下，M1<1，M2<l，表示两个端口都偏离共扼匹配，所以 当共扼匹配时，M1=M2=1，此时 （3-8）综上所述可知值只与输出端匹配程度有关，而与输入端匹配程度无关。只与输入端有关而与输出端无关。只有同时与输入、输出都有关。所以用表示增益比较全面，因此以来衡量放大器。3.2 微波晶体管放大器的稳定性 众所周知理论上求得的放大器增益不一定都是可以实现的，因为S12表示放大器有内反馈，可能引发放大器不稳定。可以从放大器输入端口或输出端口是否等效有负阻来进行判断。若放大器存在负阻，则有可能(并非一定)发生自激震荡。假设放大器输入阻抗则输入端反射系数的模为 （3-9）可见当 时，。输出端口类似。因此，当我们用S参数法来分析放大器时，就取决于其输入端口或输出端口反射系数的模是否大于l来判断晶体管放大器的稳定性8。4 使用ADS软件进行微波功率放大器的设计与仿真 本设计使用的软件是ADS2011版本，运用负载牵引的方法来确定最佳负载阻抗，这也是最精准的方法，用来模拟及测量功率管在大信号时的特性。功率放大器在大信号工作时，功率管的最佳负载阻抗会随着输入信号功率的增加而改变。因此，必须在史密斯图上，针对给定一个输入功率值时绘制出在不同负载阻抗是的等输出功率曲线，帮助找出最大输出功率时的最佳负载阻抗。4.1 微波功率放大器的设计步骤及参数为了完成功放特性仿真，设计通常需要以下几个步骤：(1)选择一个合适的功放管模型，下载下来并将其导入ADS的模型库中。(2)根据放大器的要求和晶体管特性确定静态工作点。(3)进行功率放大器的电路设计，包括阻抗匹配、设置偏置电路和直流扼流等。(4)确定仿真类型(S-参数仿真、谐波平衡仿真、直流仿真、交流仿真等)，仿真参数，以及ADS环境下所需的一些变量。(5)对所涉及电路进行仿真，分析仿真曲线并得出结论。(6)优化功放电路结构和电路参数9。 为了明确设计目的，在此列出了一些设计需要达到的参数： 频率 : 960MHz 输出功率： 40W 输入功率： 1W 效率 ： >40% 电源电压： 28V根据上述设计要求，本设计选定飞思卡尔公司的LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)功率管MRF8P9040N。功率管MRF8P9040N的模型库可以再飞思卡尔公司的官方网站上下载。4.2 直流扫描 首先安装DesignKit，然后新建工程“frank”，调用ADS内部所带的直流扫描模板对MRF8P9040N进行直流扫描4.2.1 插入扫描模板(1)在工程“frank”中，新建原理图BIAS，执行菜单命令【Insert】，选择【Template】弹出“Insert Template”对话框，如图4-1所示。(2)选择“FET_curve_tracer”模板，单击【OK】。(3)单击鼠标左键将添加的FET直流扫描模板放入原理图中。模板如图4-2所示。图4-1选择直流扫描模板 图4-2 添加FET直流扫描模板后的原理图4.2.2 放入飞思卡尔元器件模型选择元器件列表中的“Freescale MRF8P9040N Level2 Rev2 Model”选项，将元器件列表中的模型和空间放入原理图中，用导线连接起来。4.2.3 扫描参数设置 (1)双击参数扫描控件“PARAMETER SWEEP”，修改参数如图4-3所示。 (2)双击控件“DC”，弹出“DC Operating Point Simulation”对话框，修改参数，如图4-4所示。(3)直流扫描电路模型设置完成，完成后的原理图如4-5所示，保存原理图。图4-3 “Parameter Sweep”对话框 图4-4 “DC Operating Point Simulation”对话框图4-5 设置好的电路原理图4.2.4 仿真并显示数据（1）按下【F7】键开始仿真。 （2）仿真完成后，会自动弹出数据显示窗口，其中就有直流扫描的I-V曲线图表。执行菜单命令【Maker】选择【New】，可以把一个三角标志放在图上，可以用键盘和鼠标控制它的位置，如图4-6所示。图4-6 I-V曲线图表（3）因为是AB类的功放，所以选取VGS =3.2V，静态工作电流IDS =312mA作为工作点。（4）单击保存仿真数据文件。4.3 稳定性分析4.3.1 原理图的建立（1）执行菜单命令【File】选择【New Design】，新建原理图文件，命名为“STABILITY”,如图4-7所示。（2）插入S参数扫描模板，执行菜单命令【Insert】选择【Template】，选择“ads_templates:S_Params”，如图4-8所示。图4-7 创建STABILITY原理图图4-8 选择S参数扫描模板 （3）从元器件列表中的“Freescale MRF8P9040N Level2 Rev2 Model”元器件列表中调出MRF8P9040N和飞思卡尔识别控件，从“Lumped-Componments”元器件列表中调出扼流电感DC_Feed和隔直电容DC_Block，从“Sources-Freq Domain”元器件列表中调出直流电压控件V_DC，从“Simulation-S_Param”元器件列表中调出测量稳定因子的控件Stabfact。用导线将各个元器件连接好。（4） 双击S参数扫描控件，在打开的对话框中设置扫描参数，起始频率为700MHz，终止频率1000MHz，步进为10MHz，如图4-9所示。图4-9 S参数扫描设定（5）设置完成后的原理图如图4-10所示。图4-10 稳定性扫描原理图4.3.2 稳定性分析按【F7】仿真完成后在数据显示窗口中点鼠标右键，选择插入一个坐标图，然后弹出“Plot Traces& Attributes”对话框，选择要显示的StabFact1，点击【>>Add>>】然后点【OK】。此时会显示不同频率下的稳定因子，如图4-11所示。图4-11 仿真结果从图4-11可以看出，在7001000MHz频率内，StabFact1>1,即稳定因子大于1，功率管在整个带内稳定。4.4 Load - Pull4.4.1 插入Load - Pull模板 (1)在原理图窗口执行菜单命令【DesignGuide】中的【Amplifier】，弹出“Amplifer”对话框，选择“Load-Pull-PAE,Output Power Contours”模板，如图4-12所示，出现名为“HB1Tone-LoadPull”的原理图。(2)将系统自带的元器件模型删除，加入MRF8P9040的模型及飞思卡尔控件如图4-13所示。图4-12 Load-Pull模板选择图4-13 修改后的原理图4.4.2 确定Load - Pull的负载阻抗MRF8P9040的增益约为19dB，假设输出40W（46dBm）是 ，那么，输入功率约为46-19=27dBm，为了更大的输出功率阻抗点，选择2829dBm作为输入功率。（1） 双击“Set these values”中的“Var Eqn”控件，设置参数如图4-14。图4-14 “Var Eqn”控件的参数设置 （2）双击Smith阻抗框中的“Var Eqn”控件，在DataSheet中看到MRF8P9040的输出阻抗比较小，故将圆图归一化的阻抗设置为5，然后设置好圆心和半径进行负载牵引仿真，寻找合适的阻抗点（输出功率大于40W，效率大于60%），最后选取的变量设置如图4-15所示。图4-15 最后选取的变量设置（3）在仿真的结果中，为了更好地观察圆图，将Pdel_step、PAE_step、NumPAE_Lines、NumPdel_lines设置为0.1、2、15、15。 将m1点放在效率圆的圆心中，将m2点放在功率圆的圆心中，如图4-16所示。图4-16 仿真结果（4） 输出的功率接近47dBm（50W），效率为66.32%，比较满足设计要求。为了输出更大的功率，去功率圆圆心的阻抗来设计。双击m2将归一化阻抗改为5。（5） m2的图框便为Load - Pull负载的阻抗点，如图4-17所示。也就是说，输出的阻抗约为2.9+j*1.32。图4-17 Load - Pull的负载阻抗（6）保存原理图和仿真数据。4.5 Source - Pull4.5.1 插入Source - Pull （1）在原理图中执行菜单命令【DesignGuide】中的【Amplifier】，弹出“Amplifier”对话框，选择“Source-Pull-PAE,Output Power Contours”模板。单击OK出现名为“HB1Tone-SourcePull”的原理图，修改原理图，如图4-18所示。图4-18 修改后的原理图（2） 按确定Load-Pull参数的方法调整好Source-Pull的范围后，进行仿真，计算得出输出阻抗的值为5.9-j*5.3，如图4-19所示。（3） 保存原理图和仿真数据。图4-19 仿真结果4.6 Smith圆图匹配4.6.1 输出匹配电路的建立将50匹配到Zl的共轭：2.9-j*1.32。（1） 新建原理图OUTMATCH，在“Simulation-S_Param”面板中选取SP控件、Zin控件和端口Term放入原理图中，在面板中选取“Smith Chart Matching”加入原理图中，用导线连好，设置好SP控件的频率参数与端口Term1的阻抗点，如图4-20所示。图4-20 OUTMATCH原理图（2）选中“DA_SmithChartMatch1”控件，执行菜单命令【Tools】选择【Smith Chart】，依次设置频率为0.96GHz，选中归一化“Normalize”选项，并将设置为源端口Term1的共轭2.9+j*1.32，然后执行菜单命令【Circles】点击【Q.】，设置Q值为1.5。（3）从负载端开始匹配。点击左边Palette栏中的微带线以及电容标志，可以在圆图中绘制曲线，一直到达到匹配点位置为止。Smith圆图中的响应如图4-21所示，从图中可以看出，在匹配的过程中，都是在Q=1.5的圆内，没有超出圆外。保存文件为OUTMATCH，单击【Build ADS Circuit】按钮生成电路。 图4-21 Smith圆图中的响应（4） 在原理图中单击仿真，在仿真数据窗口中添加图表，选择“S(1，1)”，在弹出的S11图表中，选择左上角的Mark功能，选取在960MHz时的读数，如图4-22所示。图4-22 仿真结果（5）返回原理图中，选中“DA_SmithChartMatch1”，进入其子菜单，子电路如图4-23所示。图4-24 子电路4.6.2 输出匹配理想