基于ADS的功率放大器仿真模型设计

张家宇，常树茂

(西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710061)



基于ADS的功率放大器仿真模型设计

张家宇，常树茂

(西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710061)

摘要针对射频功率放大器仿真设计中的问题，利用ADS仿真软件设计一个功率放大器仿真模型。在仿真设计中选择合适的晶体管模型，并采用负载牵引技术找到最佳匹配阻抗值完成匹配电路。仿真模型输出结果显示，在1.9 GHz处输出功率为35 dBm，增益附加效率约为60%，验证了该仿真模型的正确合理性。

关键词功率放大器；非线性模型；负载牵引；ADS

射频功率放大器[1]是无线通信、雷达、电子对抗，手机，卫星通讯，无线局域网等系统收发前端的关键组件之一。其功率、效率、损耗等均已成为影响系统性能的关键指标[2]。

在功率放大器设计过程中，由于缺乏具有足够准确度和可靠性的晶体管非线性模型，将功率放大器的设计简化成大规模系统可重复的设计实践仍需一定技巧和经验[3]。已成为限制功率放大器仿真结果准确性的重要因素和功放研究热点问题。在之前功率放大器仿真设计的基础上[4]，选择合适精确的非线性模型并且结合DC/AC分析不同负载和偏置条件来正确处理非线性问题，这样就能够准确达到设定的功率压缩和效率等非线性目标。

本文利用AdvancedDesignSystem(ADS)仿真软件进行设计与优化，构建一个精准的非线性功率放大器模型并介绍了基于系统仿真的设计流程，设计将采用非线性晶体管模型和无源器件模型以达到较好的测试性能。

1放大器设计原理及指标

一个单级射频功率晶体管放大器可用图1所示电路模拟。图中PINC表示放大器入射功率；PL表示负载吸收的功率；用ΓIN表示输入反射系数；ΓS表示源反射系数；ΓL表示负载反射系数；ΓONT表示输出反射系数。放大器的各种参数都受ΓS和ΓL的影响，只要根据要求确定了这两个参数便可确定输入输出匹配网络，而输入输出匹配网络把输入阻抗 ZIN和输出阻抗ZOUT转换为源阻抗ZS和负载阻抗ZL，这样通过匹配网络，射频源到负载达到最大功率传输。

图1　晶体管放大器原理电路图

在射频功率放大器的设计中，从原则上讲都是希望提高放大器的增益指标。在满足需要功率的同时要考虑效率、稳定性和失真等相关参数。功率放大器最初设定的仿真目标如表1所示，基于先前发表已有的功率放大器设计文献成果以及实际应用的考虑[7-9]，仿真模型以实现PAE超过50%，增益>10dB为目标的设定是合理具有参考意义的。

表1　设计目标

为达到设定目标本设计选定GaAs金属-半导体场效应晶体管NE6500379A，数据表显示该晶体管具有3W的输出功率和10dB的线性增益，效率>50%并具有良好的线性度。

2仿真设计过程

2.1Load-Pull和Source-Pull仿真设计

在给定输入功率的情况下，利用自动调配器通过改变源阻抗或者负载阻抗，测量被测系统的输入、输出功率以及功率附加效率等参数，同时记录对应的源阻抗和负载阻抗的数值。这样便可获得最大功率附加效率状态下所需的最佳源阻抗和负载阻抗，以此得到输入/输出匹配网络的最佳设计方案[5]。

在不同的偏置条件下进行多次源和负载牵引设计仿真，测试发现在直流工作点VDS=6V,VGS=-2.4V时Source-Pull仿真结果显示有最高的功率附加效率 ，此处的源阻抗PAE=62.46% ，如图2所示。在同样偏置条件下进行Load-Pull仿真得到的最高PAE=62.46%，此处的负载阻抗ZL=3.582-j0.870。这样就得到最佳源阻抗值和最佳负载阻抗值ZS和ZL。利用一个单独谐波平衡(HB)仿真显示在最佳源/负载阻抗处,输入为30dBm时具有PAE=63.2%，POUT=34.9dBm的仿真结果。

图2　Source-Pull仿真结果

2.2理想元器件设计放大器匹配网络

在确定了最佳阻抗值后，利用ADS自带工具SmithChartUtilityToll进行阻抗匹配。Smith圆图是应用最广泛的匹配电路设计工具之一，可直观描述匹配设计的过程。采用理想元器件和微带线将源/负载阻抗的共轭匹配到50Ω，匹配完成后进行S参数仿真，检测是否实现了电路的正确匹配。匹配电路S参数如图3所示已达到良好的匹配效果。

图3　输入输出匹配电路仿真参数

2.3理想电路仿真

完成了匹配电路后，在理想元器件下进行小信号和大信号的仿真。加入漏极-源极电压6V，栅极-源极电压-2.4V的晶体管初始偏置，小信号S参数仿真结果表明在工作频点1.9GHz处增益为10.099dB，并满足K﹥1的稳定性要求。

利用ADS设计向导中的原理图模板进行大信号的仿真设计，仿真结果表明在输入为30dBm时输出功率为35.155dBm，增益附加效率为54.248%。其中介质板选用FR4介电常数为4.3，实际微带线尺寸可用ADS中线长计算器LineCalc计算出来。

3电路模型的优化及仿真结果

在设计制作放大器过程中为了达到设定性能指标，对元器件的值和微带线的尺寸进行优化是必须的。电路加入了匹配后，会改变电路的各个点的阻抗特性，因此加入匹配电路后会改变之前匹配好的阻抗特性，使得匹配又失配，所以匹配是个不断调试的过程。在ADS中可使用调谐工具Turning来同时改变输入输出匹配的元件值，同时观察匹配的效果。为减少微带线宽不一致带来的不连续性，加入了MTaper元件，在节点处加入了Mtee元件。对于偏置电路，加入去耦电容旁路电容等。完成优化后的整体原理图仿真模型如图4所示。

图4　优化完成后的仿真模型

经过多次大范围的调谐优化和小范围的自动优化前后的仿真数据对比曲线如图5和图6所示。

9图5　优化前后的PAE曲线对比

图6　优化前后输出功率对比曲线

优化后输出功率曲线显示Pout=35.246dBm，优化后的增益附加效率为59.954%，说明本文构建的高效率功率放大器模型达到了设计目标，得到了精准的仿真数据。

4结束语

基于ADS仿真软件和相关基础理论，利用有源器件和无源电路元器件模型设计出一个工作频率为1.9GHz的AB类功率放大器模型。选用合适的晶体管模型来达到设定的功率、效率、增益等设计目标。利用ADS自定义的非线性模型进行源牵引和负载牵引来找到最佳偏置点，采用Smith圆图匹配方法对最佳负载点进行阻抗匹配。最后在ADS中采用微带线模型、非线性晶体管模型和无源表面贴装器件模型完成了整体

功率放大器模型的构建与优化。仿真模型输出结果显示在1.9GHz处输出功率为35dBm，增益附加效率约为60%，达到了设计目标。

参考文献

[1]DavidMPozar.微波工程[M].3版.张肇仪,周乐柱,吴德明,等,译.北京:电子工业出版社,2010.

[2]胡锦,陶可欣,郝明丽,等.基于SiGe工艺的高增益射频功率放大器[J].微电子学与计算机,2012,29(2):18-21.

[3]NealTuffy,LeiGuan,AndingZhu.Asimplifiedbroadbanddesignmethodologyforlinearizedhigh-efficiencycontinuousclass-fpoweramplifiers[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2012,60(6):1952-1963.

[4]常树茂.用ADS进行功率放大器仿真设计[J].西安邮电学院学报,2010,15(1):82-85.

[5]潘和平.基于负载源牵引法的微波大功率自动测试系统的研制与应用[D].西安:西安电子科技大学,2010.

[6]UlrichLRohde,DavidP.Newkirk.无线应用射频微波电路设计[M].刘光祜,张玉兴,译.北京:电子工业出版社,2004.

[7]SaadP,FagerC,HaiyingCao,etal.Designofahighlyefficient2.4GHzoctavebandwidthGaN-HEMTpoweramplifier[J].IEEEMicrowaveTheoryandTechniques, 2010,58(7):1677-1685.

[8]AfsahiA,LarsonLE.Monolithicpower-combiningtechniquesforwatt-level2.4GHzCMOSpoweramplifiersforWLANapplications[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2013,61(2):1247-1260.

[9]HangCynthiaY,DealWilliamR,QianYongxi,etal.High-efficiencypush-pullpoweramplifierintegratedwithquasi-yagiantenna[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2001,49(6):144-124.

Design of Power Amplifier Simulation Models Based on ADS

ZHANGJiayu,CHANGShumao

(SchoolofElectronicEngineering,Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications,Xi’an710061,China)

AbstractA power amplifier base on ADS is developed for the design of the RF power amplifiers. This circuit is designed using a transistor model; the optimal load impedance is selected by load pull simulations to determine the matching networks. The simulation shows a PAE=60% and a Pout=35 dBm at 1.9 GHz, indicating the simulation model is correct and reasonable.

Keywordspower amplifier; nonlinear models; load pull; ADS

收稿日期:2015- 11- 19

作者简介:张家宇(1989-)，男，硕士研究生。研究方向：射频电路与天线设计。常树茂(1957-)，男，教授。研究方向：微波技术与天线等。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.07.039

中图分类号TN722

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)07-136-03