基于双向牵引与EM仿真的GSM基站功率放大器设计

郑玉鑫，李 魁，夏体慧，南敬昌

（辽宁工程技术大学 电子与信息工程学院，辽宁 葫芦岛 125105）

0 引 言

GSM（Global System for Mobile Communcation，GSM）系统是移动通信中最为经典的系统，全球超200个国家和地区超10亿人正在使用GSM电话[1]。在GSM移动通信系统中，通过基站完成信号传输。功率放大器（Power Amplif i er，PA）[2]作为基站中最重要且最耗能的元件，其性能将直接影响系统性能[3]。基站功率放大器的输出功率[4]越高，通信距离就越长且有效覆盖面积会越大[5]，其效率决定了电池的使用时长[6]。因此对基站中功率放大器的研究具有很强的实用价值和经济价值。在各种无线系统中由于不同调制类型和多载波信号的采用，射频工程师为减小功率放大器的非线性失真，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[7]。本文采用CREE（科锐）公司设计生产的CGH40035F射频结栅场效应晶体管，在安捷伦公司的Advanced Design System（ADS）仿真平台上，设计了一款可以工作在880 MHz的GSM基站功率放大器。设计采用双向牵引技术以准确得到放大器最大效率和输出功率下的最佳输入输出阻抗[8]。在此基础上，应用Advanced Design System仿真软件中的三维平面电磁仿真器Momentum，设计产生精准的EM（Electromagnetic）模型[9]，主要通过模拟具有物理意义的布局元件，将版图元件的物理效应纳入考虑范围，得到高精度的仿真结果[10]。

1 放大器理论分析

功率放大器的设计要保证在其工作频段内具有稳定性，同时也要满足所需功率并尽可能提高增益指标，具有较好的功率放大能力。为防止放大器产生自激，需要先对射频放大器进行稳定性分析以确定其稳定工作的条件。匹配电路的设计使射频PA的输入、输出功率达到最佳功率匹配，这也是射频PA的重要任务。双向牵引法是目前已存在的仿真方法中较为准确的方法，可以采用双向牵引法获得最佳输入阻抗。联合仿真考虑到版图在工程中的接地问题，可以获得更为真实的仿真结果。后文主要阐述了双向牵引及联合仿真的相关理论及方法。

1.1 双向牵引理论

双向牵引技术相比一般的牵引技术，具有准确得到最大效率和输出功率下最佳输入输出阻抗的优点。双向牵引框图结构如图1所示。

图1 双向牵引框图结构

采用双向牵引得到最佳输入输出阻抗的过程如下：

（1）首先利用ADS自带的Load-pull和Source-pull模块进行负载牵引和源牵引，得到最佳基频阻抗ZLoad0和ZSource0。

（2）把得到的ZSource0代入其中，即固定ZSource0不变，继续进行负载牵引，得到ZLoad1；接着进行源牵引，固定ZLoad1不变，得到ZSource2。

（3）如此循环，得到最终的输入输出阻抗值。一般在此设计过程中，只需进行2～3次牵引即可得到结果。

1.2 联合仿真

较一般的原理图仿真而言，原理图-版图联合仿真能够提高放大器设计的准确性，使仿真结果具有更高的实用价值。与原理图相比，版图考虑了实际布线，而原理图电路在进行仿真时未考虑分立器件如何分布以及走线分布参数等问题[11]。因原理忽略了很多实际生产过程中可能遇到的问题，因此只进行原理图仿真得到的仿真结果未必可靠。而联合仿真考虑了制版的布线、实际接地等问题，因此得出的仿真结果更具体、更准确。

2 功率放大器的设计

采用双向牵引技术和电路图-原理图联合仿真进行AB类功率放大器的设计，选用CREE公司设计生产的CGH40035F晶体管，设计工作中心频率为880 GHz。

2.1 直流扫描与稳定性分析

直流扫描仿真电路能够获得晶体管的直流曲线以及PA的静态工作点，更加明确放大器的工作状态。对CGH40035F晶体管进行直流仿真，获得晶体管的伏安特性曲线。根据CREE公司给出的数据手册设计AB类功放，固定VDS为-2.8 V，扫描直流电流为513 mA，满足数据手册中的要求。图2仍旧根据CREE公司给出的数据手册设计AB类功放，固定VDS为-2.8 V，扫描直流电流为513 mA，满足设计要求。图2中VDS=28 V，IDS=513 mA，VGS=-2.8 V即为所获得的静态工作点。

为了使功率管在频率范围内稳定工作，特在输入端增加一个有耗元器件，在隔直电容后串联一个小电阻，发现其稳定性得到明显提高。

图2 直流特性曲线

2.2 双向牵引法确定输入输出阻抗

确定最佳输入输出阻抗是提高PA效率及输出功率的关键。通常情况下，高频信号源的输出阻抗和晶体管的输入阻抗并不匹配，信号源一般为50 Ω，晶体管则是几欧到几十欧。信号源和晶体管中间加入输入电路，作为阻抗变换，从而获得阻抗匹配。本文采用双向牵引技术得到最佳输入输出阻抗，如图3、图4所示。

图3 负载牵引电路及仿真结果

经过双向牵引得到的最佳输入输出阻抗见表1所列。

图4 源牵引电路及仿真结果

2.3 匹配电路的设计

一般匹配电路有三种形式，即集总参数、分布参数和混合参数。

（1）集总参数是指采用电容电感等无损耗元件对匹配电路进行设计；

（2）分布参数是指在匹配过程中采用微带线形式；

（3）混合参数即在匹配过程中采用电容电感和微带线等进行混合匹配电路设计。

因为集总参数匹配网络工作频率较低且带宽较窄，分布参数匹配网络在实际调试过程中较难调节，所以一般在匹配电路设计时采用混合参数匹配网络，本文在设计匹配电路时也采用混合参数匹配网络，既容易调节又能获得较宽的带宽。带宽输出匹配电路和仿真结果如图5和图6所示。

从图6（a）中可以得到在0.88 GHz时，S（1，1）（S（3，3）） 的 值 为 -39.289 dB，只要回波损耗小于-10 dB即可满足要求。图 6（b） 图 显 示 在 0.88 GHz时，S（2，1）（S（4，3））的值为-0.112 dB，图中的匹配结果完全满足设计要求，采用与确定输出匹配相同的方法确定输入匹配网络。

2.4 整体电路的优化

在完成匹配网络后， 将匹配电路以及漏极偏置和栅极偏置电路添加在晶体管两侧，组成PA总体电路。以上仿真是将所有设计的模型整合在一起初步进行参数仿真，在仿真完成后需要对整体原理图进行优化调谐以得到最优结果。放大器优化后电路如图7所示。

3 版图设计与联合仿真

3.1 版图制作

由电路原理图制作其版图，只保留电路图中的微带线，使电容和仿真控件等失效；查阅数据手册，根据layout界面的封装绘制出相应的晶体管模型封装；然后把绘制的模型封装添加到版图中，以模型封装为中心，对输入输出匹配电路和偏置按照之前原理图电路的位置排版，排版完成后的版图如图8所示。

3.2 联合仿真

进行联合仿真的具体过程如下所示：

（1）在版图上设计每个分立器件的封装。

（2）将原理图中的原件替换成绘制好版图的器件，然后生成整个版图。检查布线不合理的地方并调整。

（3）新建原理图，在版图中加入与原理图相对应的器件，插入与之前原理图仿真中相同的S参数仿真控件进行仿真。

（4）观察仿真结果是否达到预期，如果没有则继续调试。

图6 输出匹配电路仿真结果回波损耗与插入损耗

图7 放大器优化后电路图

原理图-版图联合仿真电路如图9所示。

联合仿真考虑了制版的布线问题与实际接地问题，得出的仿真结果更具体、更准确。再次仿真得到的结果会与之前理想的仿真存在差异，还需继续优化调谐，最终得到的仿真结果如图10和图11所示。

图8 ADS中的版图

图9 联合仿真电路图

图10所示为PA的增益仿真曲线，其增益不低于17.5 dB。图11所示为PAE（Power Added Eff i ciency，PAE）随输出功率变化曲线，纵坐标是PAE值，最大可达52.624%，横坐标饱和输出功率可达41.58 dBm。由此可知，PA的仿真结果达到预期，这也证明了采用双线牵引与联合仿真方法设计功率放大器的优越性。

图10 增益曲线

图11 PAE仿真结果

4 结 语

本文结合双线牵引和原理图-版图联合仿真技术提出了一种高效的功率放大器设计方法。双向牵引可以准确得到最大效率和输出功率下的最佳输入输出阻抗，在此前提下，采用原理图-版图联合仿真方法使仿真结果更具体、准确。仿真结果显示，GP高于17.5 dB，饱和输出功率大于41.58 dBm，PAE最高可达到52.6%。较一般的AB类PA而言，性能得到改善，并且显著提高了设计精度和效率。