射频功放的设计

1.引言

各种无线通信系统的发展，如GSM、WCDMA、TD-SCDMA、WiMAX和Wi-Fi，大大加速了半导体器件和射频功放的研究过程。射频功放在无线通信系统中起着至关重要的作用，它的设计好坏影响着整个系统的性能。因此，无线通信系统需要设计性能优良的放大器。而且，为了适应无线系统的快速发展，产品开发的周期也是一个重要因素。另外，在各种无线系统中由于采用了不同调制类型和多载波信号，射频工程师为减小功放的非线性失真，尤其是设计无线基站应用的高功率放大器时面临着巨大的挑战。采用Agilent ADS 软件进行电路设计可以掌握设计电路的性能，进一步优化设计参数，同时达到加速产品开发进程的目的。功放（PA）在整个无线通信系统中是非常重要的一环，因为它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。

2.功率放大器基础

2.1功率放大器的种类

根据输入与输出信号间的大小比例关系，功放可以分为线性放大器与非线性放大器两种。输入线性放大器的有A、B、AB类；属于非线性放大器的则有C、E等类型的放大器。

（1）A类：其功率器件再输入信号的全部周期类均导通，但效率非常低，理想状态下效率仅为50%。

（2）B类：导通角仅为180°，效率在理想状态下可达到78%。

（3）AB类：导通角大于180°但远小于360°。效率介于30%~60%之间。 （4）C类：导通角小于180°，其输出波形为周期性脉冲。理论上，效率可达100%。

（5）D、E类：其原理是将功率器件当作开关使用。

设计功放电路前必须先考虑系统规格要求的重点，再来选择电路构架。对于射频功放，有的系统需要高效率的功放，有些需要高功率且线性度佳的功放，有些需要较宽的操作频带等，然而这些系统需求往往是相互抵触的。例如，B、C、E类构架的功率放大器皆可达到比较高的效率，但信号的失真却较为严重；而A

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类放大器是所有放大器中线性度最高的，但它的最大缺点是效率低，这些缺点虽然可以用各种Harmonic Termination 电路的设计技巧予以改进，但仍无法提高到与高效率的功放相当的水平。具有高效率、高线性度及高功率的功放乃电路设计者所努力的终极目标。 2.2 放大器的主要参数

1）1dB功率压缩点

当放大器的输入功率非常低时，功率增益为常数，放大器工作在线性区。当输入功率增大时，受到放大管非线性影响，放大器功率增益逐渐被压缩，限制了最大输出功率。通常取输出增益比线性增益小1dB的位置来定义放大器工作范围的上限，也就是1dB输出功率压缩点。

2)功率增益 3)效率

在输入功率转换成输出功率过程中，一定会有功率损耗，并且效率与线性度往往都是相互抵触的，因此再设计放大器电路时必须视系统要求而做适当取舍。以下为一般放大器效率定义：

集电极效率cPOutPOut PDCUDC*IDCPOutPIn PDC功率附加效率PAE总效率T4）失真

POut

PDCPIn①谐波失真：当功放输入单一频率信号时，在输出端除了放大原信号外，原信号的各次谐波也被放大，因此极有可能干扰到其他频带，故在系统中均有明确的谐波衰减量的规定。

②AM to PM Conversion: 当输入功率较大时，因S21包含振幅与相角，而相移会随着振幅增加而改变，则原本的AM调变会转而影响FM调变的变化。

③互调失真：当放大器输入端输入两个频率分别为fcfm、fcfm的信号时，在放大器的输出端除了输入信号灯各次谐波外，还会出现因输入信号频率间

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的和差所产生的互调失真信号，对系统产生的伤害主要集中在载波频率fc附近的三次、五次等奇数阶次的互调失真信号。互调失真信号因与载波频率fc太过接近，难以利用滤波器将它消除，并且又极易干扰相邻频率。 2.3 负载牵引设计方法

通常功率放大器的目的是以获得最大输出功率为主，这将使得功率放大器的功放管工作在趋近饱和区。S参数会随着输入信号的改变而改变，尤其S21参数会因输入信号灯增加而变小。因此，转换功率增益将因功率元件工作在饱和区而变小，不同于输出功率与输入信号成正比关系的小信号状态。换句话说，原本功率元件工作在小信号工作状态，输出/输入端都设计在共轭匹配的最佳情况下，随着功率元件进入非线性区，输入/输出端的共轭匹配就逐渐不再匹配。此时，功率元件就无法得到最大的输出功率。所以设计功放的关键在于匹配网络，这可以利用负载牵引（Load-Pull）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ZL。

Load-Pull是决定最佳负载阻抗值最精准的方法，用来模拟及测量功放管在大信号时的特性，如输出功率、传输功率增益、附加功率效率，以及双音交调信号分析的线性度IMD3和IP3。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SmithChart上，针对给定一个输入功率值时绘制出在不同负载阻抗时的等输出功率曲线，帮组找出最大输出功率时的最佳负载阻抗，这种方法成为Load-Pull。

我们可以利用负载牵引的原理，通过Agilent ADS来构建模拟平台。功放设计最主要的目的就是得到最大的输出功率，所以需要有良好的输入/输出阻抗匹配网络。输入阻抗网络匹配主要用于提供足够高的增益，而输出阻抗匹配网络则用于输出要求的输出功率。 2.4 PA设计的主要步骤

设计功率放大器包括一系列步骤，如功率晶体管的选择、匹配设计、偏置电路的设计和EMC问题。本设计采用了飞思卡尔半导体的LDMOS晶体管MRF9045N，在ADS环境下仿真该电路的特性。

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本设计步骤如下： 直流扫描 稳定性分析 Load-Pull

运用Smithchart 进行匹配 Source-Pull 电路优化设计 电路Layout 2.5 PA设计参数

本设计PA的参数如下： 频率：945MHz 输出功率：45W 输入功率：1W 效率：>40% 电源电压：28V

功率管MRF9045N的主要指标如下： 频率：945MHz 电源电压：28V 输出功率：45W 前期功率增益：18.8dB 效率：42% IMD：-32dBc

3 设计过程

3.1 直流扫描

经过直流扫描仿真得出管子的直流I-V曲线，从而确定放大器所需的静态工作点。找到静态工作点，也就基本确定了放大管的工作状态。本设计功放管为AB类，所以选取VGS3.6V，IDS368mA，作为静态工作点。

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图1直流扫描模板的

图2 I-V曲线图标

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该仿真数据和Datasheet中的数据相比，电流稍大，电压稍低，这是模型和实际放大管之间的误差，完全可以容忍。 3.2 稳定性分析

根据实际的静态工作点，添加元器件DC_Feed、DC_Block、S参数扫描控件等，进行稳定性的扫描。

图3稳定性扫描原理图

图4仿真结果

显然，在以1M~3G频率范围内，电路稳定因子StabFcact基本上小于1，电

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路并不稳定，需要添加维稳措施。电路中增加了RC并联电路及偏置电路。

图5维稳后的电路

图6与仿真结果

对比图4、图5，很显然，在以f=945MHz为中心的非常宽的频带内，电路稳定因子StabFact>1。为后续的设计工作做好了准备。

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3.3 负载牵引设计Load-Pull

插入Load-Pull模板，将原有的砷化镓FET模型删除，替换为加入了偏置电路后的MRF9045N电路，并进行一些修改，得到如下原理图。

图6 修改后的原理图

图7确定Load-pull圆

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经过反复调整，使功率圆和效率圆的圆心均能显示。最后选择了S11_center=-0.682+j*0.123，S11_rho=0.308。修改Zo为50，得到最大输出功率时功放管的输出阻抗Z=1.0+j*2.1。

图8最大输出功率时的输出阻抗

利用Smithchart进行匹配，调用匹配控件，建立如下匹配电路原理图。

图9输出匹配原理图

在smithchart上完成匹配前，应考虑到功放管电极最大尺寸为6.35*5.59，

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在FR4上阻抗，最大阻抗为23Ohm，电长度最短为14.2deg。

图10 MRF9045N电极阻抗计算

图11 使用smithchart匹配

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用实际元件替代输出匹配电路，并且进行参数优化，力图得到性能良好的电路，电路和仿真结果如下。

图12 实际元件替换与参数优化

图13 优化后的仿真结果

3.4 源阻抗牵引设计Source-Pull

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和Load-Pull的设计方法一样，首先调整好Source-Pull的范围，进而得到输入阻抗的值为1.125-j*1.474。

图14 输入匹配原理图

图15生成的电路

图16 仿真结果的对比

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3.5电路优化设计

经过谐波平衡仿真，得知在输入功率为30dBm（1w）时，功放的输出功率、附加效率、1dB压缩点均不符合要求，增益也严重偏低。因此，在输入、输出电路中加入了MTaper、MTee元件，偏置电路中加入了更多的去耦电容，对微带线进行了优化。

图17优化后的原理图

图18电路仿真结果

3.6 电路参数的测试

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建立模型

将优化后的原理图中的所有控件、Term及电源，用Port代替。选取合适的模型图表，对原理图进行封装，得到如下模型。

图19模型图标

IMD3和IMD5的测试

插入模板HB2TonePAE_Pswp，并将MRF9045N_Symobl添加到原理图中。

图20 放入MRF9045N_Symbol

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图21 频谱仿真结果

3.7 版图layout

图22本项目自动生成的版图

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4.小结

本文主要简介了射频功放的基本原理、概念和设计的一般步骤。在设计的过程中，参考了相关的文献，加深了对功放设计的理解、熟悉了Agilent ADS的使用。但是，仅仅限于浅薄的水平，仍有很多不解之处，仍有许多工作要做。

参考文献：

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