射频功放设计.docx

1 基于ADS的射频功率放大器仿真设计 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 2 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 功率附加效率 总效率 4)失真 ①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f+fm、f-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 3 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f.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f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-Pul1)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