??? 摘 ? 要： 介紹了功率放大器的設計參數和仿真過程，提出了一種在ADS環境下仿真和設計功放的方法，通過實例給出了仿真結果，并與測試結果進行了比較。
??? 關鍵詞： 功率放大器? 設計? 仿真? 高級設計系統（ADS）? MRF21030
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??? 各種無線通信系統的發展，如GSM、WCDMA、TD-SCDMA、WiMAX和Wi-Fi，大大加速了半導體器件和射頻功率放大器的研究進程。射頻功率放大器在無線通信系統中起著至關重要的作用，它的設計好壞影響著整個系統的性能，因此，無線系統需要設計性能良好的放大器。而且，為了適應無線系統的快速發展，產品開發" title="產品開發">產品開發的周期也是一個重要因素。另外，在各種無線系統中由于不同調制類型和多載波信號的采用，射頻工程師為減小功率放大器的非線性失真，尤其是設計無線基站應用的高功率放大器時面臨著巨大的挑戰。采用EDA工具軟件進行電路設計可以掌握設計電路" title="設計電路">設計電路的性能，進一步優化設計參數，同時達到加速產品開發進程的目的。
??? 設計功率放大器包括一系列步驟，如功率晶體管的選擇、匹配設計、偏置電路的設計和電磁兼容等問題。功率放大器的設計通常采用EDA工具軟件，如ADS、Serenade、sonnet等。許多文獻[1-2]中都有應用EDA工具設計軟件設計有關射頻電路的實例。EDA軟件不僅能夠設計和優化電路，而且能夠仿真已設計電路的性能。本文提出的功率放大器的仿真方法和設計步驟，能夠用于各種功率放大器的仿真與設計。本次仿真實例采用了飛思卡爾半導體的LDMOS晶體管MRF21030及其測試板，在ADS環境下仿真了該電路的特性，并且與測量結果進行了比較。仿真結果與測試結果的一致性說明了仿真的有效性。
1 仿真實現的主要功放特性
??? 當在ADS環境下設計和仿真功率放大器電路時，需要知道將要仿真哪些主要特性，然后根據有關已推導的公式建立仿真變量表達式，以獲得主要仿真特性曲線并分析設計功放的性能，判斷設計電路是否滿足要求。衡量功率放大器特性有許多參數，包括輸出功率、功率增益" title="功率增益">功率增益、效率和互調" title="互調">互調失真等。在本設計中，將仿真如下特性：漏極效率、轉換功率增益、互調失真和回波損耗" title="回波損耗">回波損耗與頻率的關系；漏極效率、轉換功率增益與輸出功率之間的關系。這些特性曲線也可以從飛思卡爾提供的應用晶體管MRF21030所設計的功放產品數據表中獲得。可以將仿真結果與實際測量結果進行比較，判定是否一致。下面給出了主要仿真參數的定義和計算公式[3]。
??? 轉換功率增益：負載吸收功率與源資用功率之比為：
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??? 漏極效率：負載吸收功率與直流供給功率之比為：
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??? 三階互調失真（IMD3）：輸出功率的三階互調分量與基波分量之比為：
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??? 回波損耗（IRL）：回波損耗是反射系數的對數值。這里IRL是輸入端口的回波損耗。
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2 功率放大器特性仿真的主要步驟
??? 在對功率放大器進行仿真之前，需要做一些準備工作，其中包括仿真工具軟件、用于仿真的功放晶體管模型、采用的電路結構和設計方法等。在本仿真中，選擇了高級設計系統仿真軟件，該軟件在仿真射頻電路中具有非常強大的能力。用于本仿真的功放模型既可以由制造廠家提供也可以在ADS環境下根據晶體管模型參數來建立。然后，可以根據適當的電路結構對功放進行設計。
??? 為了完成功放特性仿真，通常需要以下幾個步驟：
??? （1）將廠家提供的晶體管模型庫輸入到ADS模型庫中；
??? （2）根據放大器的要求和晶體管特性確定靜態工作點；
??? （3）進行功率放大器的電路設計，包括阻抗匹配、偏置電路和直流厄流等；
??? （4）確定仿真類型（S-參數仿真、諧波平衡仿真、直流仿真、交流仿真等）和仿真參數以及ADS環境下的所需的一些變量；
??? （5）對所設計電路進行仿真，分析這些曲線并得出結論；
??? （6）優化功放電路結構和電路參數，能獲得更好的性能，仿真最后達到性能要求。
3 仿真實例
在本次仿真的實例中采用了MRF21030晶體管測試板作為功率放大器，對本放大器的一些特性進行仿真，主要包括功率放大器的漏極效率、轉換功率增益、IMD3和IRL（輸入回波損耗）與頻率的關系以及漏極效率、轉換功率增益與輸出功率的關系。測試板功放的靜態工作點為：VDS=28V,IDQ=250mA,VGS=3.85V。在VDS=28V,Pout=30W PEP, IDQ=250mA, f1=2 140.0MHz, f2=2 140.1MHz條件下,測試功放的性能為：Gps=13dB,η=33%（漏極效率）, IMD=-30dBc, IRL=-13dB。下面給出仿真電路和仿真結果。
3.1 靜態工作點確定電路與特性曲線
??? 在晶體管的技術參數中，半導體廠家通常給出漏極（集電極）工作電壓和電流，但是并沒有給出柵極（基極）電壓。因此，需要通過仿真和實際測試獲得這個電壓。圖1是晶體管直流特性仿真的電路。圖2是MRF21030晶體管的特性曲線。在特性曲線中，能夠發現靜態工作點（m2點，即VDD=28Vdc，ID=250mA），得到柵極電壓（VGS=3.775V），這樣靜態工作點就確定了。
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3.2 掃描頻率時仿真電路和特性曲線
??? 圖3是掃描頻率時的諧波平衡仿真的電路圖，這里輸入功率是28.5dBm，這時功率放大器能獲得最大的輸出（30W）。圖4給出了功放的仿真特性曲線。從這個特性曲線上可以看出，轉換功率增益約為16dB，效率大約為50%，IMD3約為-27dBc，IRL約為-10dB，頻率變化范圍為2 080M～2 200MHz，而輸出功率為峰值功率30W。
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3.3 掃描功率時的電路與仿真曲線
??? 圖5是當掃描功率時的諧波平衡仿真電路圖，這里頻率設定為中心頻率2 140MHz。圖6給出了轉換功率增益、漏極效率的三階互調失真和輸出功率的特性曲線。從中可以看到轉換功率增益為15dB左右，效率為5%～25%隨輸出功率（0～6W）而變化。
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??? 查找飛思卡爾提供的有關晶體管MRF21030的特性曲線，通過比較可知，仿真結果基本上與廠家的測量結果一致，但也有一些微小的差別，尤其是IMD和效率，這主要是因為實際的器件和仿真模型不完全相同，另外仿真電路有某些理想的元件。在電路仿真中，可以通過優化電路參數達到放大器的性能要求，但通過實際選用器件并制版后，由于各種原因可能不能達到性能要求，這時需要根據測試的結果調整所選用的器件，最后達到性能要求。
??? 設計電路時，首先應該在EDA工具軟件中進行性能仿真，這里可以適當地選用器件并進行優化，達到電路性能要求，縮短產品進入市場的周期，同時也節省了產品開發的成本。本文針對功率放大器的設計進行了闡述，采用的工具軟件是ADS，給出了功率放大器在ADS軟件環境下設計和仿真的方法和步驟，并給出了仿真特性的電路圖和仿真后的特性曲線。同時對仿真曲線和實際測試的特性曲線進行了比較，比較結果表明仿真曲線和實際測試曲線是一致的，說明這種設計方法和步驟是可行的。利用ADS仿真工具軟件進行電路設計和仿真，對射頻工程師來說是一種重要的方法。
參考文獻
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[2] ?GILMORE R, BESSER L. Practical RF circuit?design for modern wireless systems, volume II,?Active Circuits and Systems[M]. London. Artech?House, 2003.
[3] ?LUDWIG R, BRETCHKO P. RF circuit design:?theory and applications[M]. Englewood. PrenticeHall, Inc, 2000.
[4] ?SIMECONDUCTOR F, Inc. Freescale device?data-wireless RF product. 2005.1:495-499.