基于ADS高效率微波功率放大器设计

胡小军

（电子科技大学 四川 成都 610054）

随着无线通信技术的发展，除了广为人知的无线广播、卫星电视等公共通信服务外，包括以手机、无线局域网和蓝牙等为代表的个人服务也进入到人们的视野中，并逐步成为人类生活中不可替代的通信工具。同时随着技术日新月异的发展和人们通信需求的增加，无线通信产业还将继续向前蓬勃发展。在无线通信系统中，功率放大器[1]是无线发射机中的核心模块之一，它不仅仅是将信号放大以实现远距离的可靠传输，而且对信号的效率[2－4]、稳定度和带宽等方面都提出了很高的要求。因此对于微波功率放大器的研究和设计有着重要是意义。

1 功率放大器的设计

1.1 设计指标

本设计方案选取的是NXP公司的BLF7G22L130功率管，设计的主要性能指标为:工作频段2 150～2 170 MHz；输出功率为30 W （44.7 dBm）；在中心频率处的工作效率大于70%，增益平坦度要求小于0.5 dB。

1.2 静态工作点与偏置电路的设计

设计放大器首先需要确定静态工作点，利用 ADS[5]中的“FET_curve_tracer”的模板可以很方便地仿真出其输出特性曲线。再参考BLF7G22L130的 datasheet，可以确定当 Vds=30 V，Ids=950 mA时，各项设计指标满足要求。

确定静态工作点后，就要确定偏置电路的形式和参数。借助 ADS中的设计向导工具 （DesignGuide→Amplifier→Tools→Transistor Bias Utility）可以轻易完成。因为 ADS所提供的元件数值是非标称的，所以需要设计者用与 ADS提供的数值接近的标称元件进行替代。

1.3 负载牵引法设计共轭匹配

为了得到最佳的线性度和较好的效率，使功率放大管在最佳状态下工作，并充分发挥其潜力，所以采用负载牵引[6]特征对BLF7G22L130进行等功率曲线和等效率曲线的扫描，以选择最佳输出阻抗来进行功率放大器设计。

按上述确定好的最佳静态直流工作点设置好电路，然后基于 ADS软件中Load－Pull－PAE对该偏置好 BLF7G22L130电路模型进行负载牵引的最佳输出阻抗设计。设计仿真频率为2 160 MHz，仿真后选取最佳的输出阻抗如图1所示。

图1 负载牵引仿真结果Fig.1 Load－pull simulation results

该BLF7G22L130模型在静态工作点的条件下，能够得到理想的最大效率PAE为69.39%，输出功率为47.08 dBm。综合考虑输出功率、效率和线性度等条件，这里选取Zload=1.17+j*0.348作为该MRF21030模型在该静态工作条件下的最佳输出阻抗，以其共轭作为输出匹配网络设计的阻抗。

采用同样的设计方法，基于ADS软件中的Source－Pull－PAE，对该偏置好的电路模型进行负载牵引的最佳输入出阻抗设计，这时需要把按最佳输出阻抗匹配好的输出匹配网络加入到电路中进行仿真。选取得到最佳的输入阻抗点Zsource=2.648－j*0.796，并以它的共轭作为输入匹配网络设计的参考。

在得到最佳源阻抗和负载阻抗后，需要通过阻抗变换将之匹配到50 Ω，本方案采用阶梯阻抗变换器实现匹配，利用阶梯阻抗变换器中不同阻抗微带线反射波相互抵消的原理，将源和负载阻抗匹配到50 Ω。负载匹配网络如图2所示。

图2 输出匹配网络仿真原理图Fig.2 Simulation schematic diagram of output matching network

1.4 整个放大器模块

整个电路中加入输入和输出匹配网络后，相互之间都存在着影响，需要对整个电路进行优化，来补偿输入匹配网络对对输出网络的影响，以达到最大的功率输出。即可将所有电路综合起来进行整体的放大器仿真。其仿真电路图如3所示。

图3 放大器整体仿真原理图Fig.3 Schematic diagram of amplifier

2 电路仿真与结果分析

对优化设计后的整个电路进行建模仿真，得到的仿真结果如图4所示。

图4 效率和输出功率曲线Fig.4 Curves of effectiveness and output power

由图4可以得到，在输入功率在30 dBm时，输出功率可达到50.46 dBm，可以满足1 dB输出功率30 W的要求，在该输入功率处的效率达到70%；由图5可以得到增益平坦度小于0.5 dB，在频率2150～2170 MHz内效率在 70%以上，输出功率在50 dBm以上，可见该功率放大器具有很高的效率，可以满足系统设计的需求。

图5 工作频带内效率和输出功率曲线Fig.5 Curves of effectiveness and output power in working bands

3 结 论

本设计中对功率放大器设计过程和结果进行了分析，在ADS环境中进行了电路的调试和仿真，应用了源、负载牵引技术，利用LDMOS器件的高效率、高线性度，高输出功率和高稳定性的特点，从而得到了高效率功率放大器。

[1]黄谋辉.射频功率放大器的研究与设计[D].北京邮电大学，2007.

[2]Iwamoto M，Williams A，Chen P F，et al.An extended amplifier with high efficiency over a wide power range[J].IEEE Transactions on microwave theory and Techniques，2001，49（12）:2472-2479.

[3]Srittana N，Radhavan A.Doherty amplifier for WCDMA[C]//Proc.33rd European Microwave Conf，2003:1337-1340.

[4]Cha J，Yang Y，Shin B，et al.An adaptive bias controlled power amplifier with a load-modulated combining scheme for high efficiency and linearty[J].in IEEE MTT-S Int，Microwave Symp，2003（1）:81-84.

[5]徐兴福，何川.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京：电子工业出版社，2009.

[6]Pisani U，Ferrero A.A unified calibration algorith for scattering and load-pull measurement[C]//IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference，1996：1250-1253.