基于小信号S参数的MOSFET射频功率放大器设计*

宁志强, 刘太君, 叶 焱, 许高明, 陆云龙

(宁波大学 信息科学与工程学院， 浙江 宁波 315211)

基于小信号S参数的MOSFET射频功率放大器设计*

宁志强, 刘太君, 叶 焱, 许高明, 陆云龙

(宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波315211)

介绍了如何利用场效应管的小信号散射(S)参数设计射频功率放大器,并采用此设计方法，选用场效应管，设计了一种工作在160 MHz频段的金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)功率放大器。在工作频段内，功率放大器增益大于23 dB，输入端口的匹配网络的回波损耗S11优于-19 dB。实例证明：该设计方法仿真简单，易于实现，具有重要的工程应用价值。

小信号；S参数； 射频功率放大器； MOSFET

0 引 言

射频功率放大器是各种无线发射机的关键单元电路[1]，是整个系统中功率损耗最大的部分，其功率输出能力直接影响信号的发射和传输距离。为了获得更高的输出功率[2，3]，大部分功耗放往往工作在大信号状态，即非线性状态[4]。理想情况下，设计者应该利用晶体管的大信号非线性模型进行设计，但很多时候，晶体管的非线性模型很难获得，器件厂商一般也只提供小信号散射(scattering,S)参数以及静态电流/电压(I-V)曲线。

本文介绍了一种在没有大信号非线性模型时，设计功率放大器的方法，即小信号S参数法。首先根据器件的静态I-V曲线确定大信号负载线阻抗RL，以此作为晶体管的漏极负载，以优化输出匹配电路，获得最大的射频输出功率，同时，也可以优化输入匹配电路，获得良好的驻波比和增益[5]。通常，为了输出最大射频功率，在设计时有意造成一定失配，因此输出匹配性能比较差，回波损耗比较大。需要注意的是，输出匹配是对RL进行优化，而不是对晶体管输出端口的回波损耗S22进行优化。

1 小信号S参数设计法

小信号S参数设计流程如图1所示。

图1 小信号S参数设计流程

首先，确定功放工作类型和偏置电路。在此基础上，利用负载线法确定晶体管的最佳输出阻抗RL：根据要求的输出功率和直流偏置电压，参考晶体管数据手册给出的静态I-V特性曲线，计算出晶体管的输出负载线，从而确定最佳输出阻抗的实部。对于A类功放，其负载线法如图2所示。根据负载线可以得到负载阻抗值RL

图2 负载线方法计算负载阻抗值

RL=2(Vb-VS)/Imax

(1)

式中Imax为最大漏极工作电流；Vb为漏极击穿电压；VS为晶体管的拐点电压。进一步得到输出功率Pout为

(2)

如果不考虑封装寄生元件，得到的输出阻抗很不精确，进一步设计的匹配电路通常也不精确。从器件的小信号S参数提取是一个直接的、容易实现的方法。通过优化输出匹配电路，获得最大的射频输出功率。同时输入端用小信号S参数进行共轭匹配，以得到较高的增益和良好的驻波特性[6]。以三菱半导体公司的金属氧化物半导体场效应管(metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)为例，实际说明小信号S参数设计功率放大器的方法。

2 MOSFET射频功率放大器设计实例

根据工作频段和输出功率的要求，设计选用了RD07MUS2B晶体管，采用小信号S参数设计了一种频段为160 MHz的A类MOSFET功率放大器。

2.1 输出匹配电路设计优化

根据元件数据手册，得到RD07MUS2B的静态I-V曲线，进一步可以计算最佳负载阻抗RL为

(3)

为了得到最大的输出功率，必须对晶体管的匹配电路进行优化。作为整个输出匹配网络的一部分，有必要考虑晶体管的封装寄生元件[7]。晶体管输出端的寄生元件参数主要包括漏—源寄生电容Cds和漏极等效串联电感Ld，因此，将寄生元件Cds和Ld加入输出匹配网络中。简化后的输出电路模型如图3所示，其中，Rd为漏极等效电感的内阻。将.S2P文件(将S参数数据拷贝到.txt文件中命名为.S2P文件)导入软件ADS中，优化得到寄生参数：Cds=0.86 pF，Ld=0.21 nH，Rd=0.605 Ω。

图3 简化后的输出电路模型

根据所得寄生电容Cds和串联电感Ld，进行最大输出功率匹配电路的设计。采用集总元件设计T型匹配网络，图4和图5分别为在ADS软件中设计的输出匹配电路和仿真结果。S11为匹配网络的回波损耗，S21为匹配网络的插入损耗[8]。在161 MHz频率点的时候，匹配网络S11=-29.361 dB，远远小于工业要求的-15 dB，S21接近0 dB，从仿真结果看出：匹配效果很好，满足预期要求。

图4 输出匹配电路

图5 输出匹配仿真结果

2.2 输入匹配电路设计优化

输入端的匹配可以提高功放的增益，获得较好的驻波特性。利用RD07MUS2B数据手册中的小信号S参数进行输入匹配的设计优化。为得到最大的输出功率，匹配网络已经与最佳负载阻抗实现良好的匹配，因此，输出匹配的电路结构和参数不需要做微调。

将已导入.S2P文件的二端口元件(等效晶体管)和设计好的输出匹配电路级联，从而获得晶体管输入阻抗。用得到的输入阻抗值设计匹配网络，同时采用共轭匹配的方式，以期获得较高的增益和较好的驻波比。图6和图7分别为设计优化的输入匹配网络和仿真结果。在160 MHz频率点，S11=-35.393 dB，S21很接近0 dB，输入匹配亦实现较好的匹配效果。

图6 输入匹配电路

图7 输入匹配结果

2.3 整体电路仿真与实物制作

在前面设计输入输出匹配电路的基础上，对整体电路进行仿真设计，如图8所示。

图8 整体电路

为了保证选用的晶体管在其工作频段内处于绝对稳定的状态，设计在晶体管输入端添加了R1与L3并联稳定性网络，提高了晶体管的稳定因子(stabFact)[9]。同时为了获得最大输出功率、较高的增益和较好的增益平坦度，对整体电路进行微调优化。优化后的仿真结果如图9所示。

图9 整体电路仿真结果

可以看出：在160 MHz频率点，稳定因子K>1，即功放在该频点绝对稳定。同时可以看到，优化后S11=-27.387 dB，功放增益S21达到了23.972 dB。

实际制作出功率放大器，通过矢量网络分析仪测得功放S参数如图10所示，可以看出：在155～165 MHz频段，功放增益均大于22.5 dB，回波损耗S11亦均在-10 dB以下，在频段内满足系统设计要求。

3 结 论

基于ADS微波设计软件，利用小信号S参数法设计了一种MOSFET射频功率放大器。ADS仿真的功放增益可以达到23 dB左右，按照功率放大器的最大输出功率对整个电路进行优化，实际制作功放的增益有所降低。由测试结果可以看出 ：在155～165 MHz频段，功放增益均大于22.5 dB，S11亦均在-10 dB以下。本文设计的功放实际应用于船载自动识别搜救发射器(AIS—SART)中，并具有良好的输出功率表现。说明射频功率放大器制作比较成功，满足系统设计要求。进一步证明了利用小信号S参数设计法能很好地提高设计效率，避免了繁杂的计算，对实际的功放设计制作有较好的指导作用。但小信号S参数设计法也具有其局限性，无法直接计算1 dB压缩点输出功率；无法计算交调产物。但可以凭测量或者经验公式得到这些参量，从而进一步对功放进行修正微调。

[1] 黄智伟，王明华，黄国玉．射频与微波功率放大器工程设计[M]．北京：电子工业出版社，2015．

[2] 吴淘锁，邬海峰．射频与微波功率放大器的分类研究现状[J]．物联网技术，2015，5(12)：51-55．

[3] 孙明超，俞建成，邵千钧，等．基于E类功放质谱射频的电源设计与优化[J]．传感器与微系统，2016，35(11)：109-112．

[4] 张 瑛，马凯学，张长春，等．一种非均匀结构的分布式功率放大器的设计[J]．微电子学，2017，47(2)：172-175．

[5] 邢 靖，孙卫忠．基于负载牵引测试系统的功率管参数提取[J]．微波学报，2009，25(3)：56-63．

[6] 李宗强，翟 杰．一种短波发射机射频前端放大电路的设计[J]．科学技术与工程，2010(22)：5522-5525．

[7] 闫 博，刘希顺，刘安芝．基于谐波平衡法的射频功率放大器分析与仿真[J]． 现代电子技术，2010，33(9)：63-66．

[8] 丁 瑶．高效率射频功率放大器的研究[D]．合肥：中国科学技术大学，2102．

[9] 宋俊魁．一种S波段线性CDMA用高功率放大器[J]．电子科技，2015，28(11)：75-77.

DesignofMOSFETRFpoweramplifierbasedonsmallsignalS-parameters*

NING Zhi-qiang， LIU Tai-jun， YE Yan， XU Gao-ming， LU Yun-long

(FacultyofEngineeringandComputerScience,NingboUniversity,Ningbo315211,China)

In the actual design of radio frequency(RF)power amplifier，the device manufacturers often provide only small-signal scattering(S)-parameters and staticI-Vcurve of a metal oxide semiconductor field effect transistor(MOSFET) transistor．Introduce how to design an RF power amplifier with small signalS-parameters．A MOSFET power amplifier operated at 160 MHz is designed with this design method，where a FET transistor from Mitsubishi is selected．The gain of the power amplifier in the working frequency band is larger than 23 dB，andS11of the input port is prior to -19 dB．The example illustrates that this design method is simple to simulation and easy to implement，which has great value in engineering application．

small signal; scattering(S)-parameters; radio frequency(RF)power amplifer; metal oxide semiconductor field effect transistor(MOSFET)

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0093—03

TN 722.7

A

1000—9787(2017)11—0093—03

2017—09—26

国家自然科学基金资助项目(61571251，61501272)；浙江省公益技术应用研究项目(2015C34004)

宁志强(1992- )，男，硕士，主要研究方向为射频功放设计、射频前端、射频电路。