基于ADS高效率微波功率放大器設計

胡小軍

（電子科技大學 四川 成都 610054）

隨著無線通信技術的發展，除了廣為人知的無線廣播、衛星電視等公共通信服務外，包括以手機、無線局域網和藍牙等為代表的個人服務也進入到人們的視野中，并逐步成為人類生活中不可替代的通信工具。同時隨著技術日新月異的發展和人們通信需求的增加，無線通信產業還將繼續向前蓬勃發展。在無線通信系統中，功率放大器[1]是無線發射機中的核心模塊之一，它不僅僅是將信號放大以實現遠距離的可靠傳輸，而且對信號的效率[2－4]、穩定度和帶寬等方面都提出了很高的要求。因此對于微波功率放大器的研究和設計有著重要是意義。

1 功率放大器的設計

1.1 設計指標

本設計方案選取的是NXP公司的BLF7G22L130功率管，設計的主要性能指標為:工作頻段2 150～2 170 MHz；輸出功率為30 W （44.7 dBm）；在中心頻率處的工作效率大于70%，增益平坦度要求小于0.5 dB。

1.2 靜態工作點與偏置電路的設計

設計放大器首先需要確定靜態工作點，利用 ADS[5]中的“FET_curve_tracer”的模板可以很方便地仿真出其輸出特性曲線。再參考BLF7G22L130的 datasheet，可以確定當 Vds=30 V，Ids=950 mA時，各項設計指標滿足要求。

確定靜態工作點后，就要確定偏置電路的形式和參數。借助 ADS中的設計向導工具 （DesignGuide→Amplifier→Tools→Transistor Bias Utility）可以輕易完成。因為 ADS所提供的元件數值是非標稱的，所以需要設計者用與 ADS提供的數值接近的標稱元件進行替代。

1.3 負載牽引法設計共軛匹配

為了得到最佳的線性度和較好的效率，使功率放大管在最佳狀態下工作，并充分發揮其潛力，所以采用負載牽引[6]特征對BLF7G22L130進行等功率曲線和等效率曲線的掃描，以選擇最佳輸出阻抗來進行功率放大器設計。

按上述確定好的最佳靜態直流工作點設置好電路，然后基于 ADS軟件中Load－Pull－PAE對該偏置好 BLF7G22L130電路模型進行負載牽引的最佳輸出阻抗設計。設計仿真頻率為2 160 MHz，仿真后選取最佳的輸出阻抗如圖1所示。

圖1 負載牽引仿真結果Fig.1 Load－pull simulation results

該BLF7G22L130模型在靜態工作點的條件下，能夠得到理想的最大效率PAE為69.39%，輸出功率為47.08 dBm。綜合考慮輸出功率、效率和線性度等條件，這里選取Zload=1.17+j*0.348作為該MRF21030模型在該靜態工作條件下的最佳輸出阻抗，以其共軛作為輸出匹配網絡設計的阻抗。

采用同樣的設計方法，基于ADS軟件中的Source－Pull－PAE，對該偏置好的電路模型進行負載牽引的最佳輸入出阻抗設計，這時需要把按最佳輸出阻抗匹配好的輸出匹配網絡加入到電路中進行仿真。選取得到最佳的輸入阻抗點Zsource=2.648－j*0.796，并以它的共軛作為輸入匹配網絡設計的參考。

在得到最佳源阻抗和負載阻抗后，需要通過阻抗變換將之匹配到50 Ω，本方案采用階梯阻抗變換器實現匹配，利用階梯阻抗變換器中不同阻抗微帶線反射波相互抵消的原理，將源和負載阻抗匹配到50 Ω。負載匹配網絡如圖2所示。

圖2 輸出匹配網絡仿真原理圖Fig.2 Simulation schematic diagram of output matching network

1.4 整個放大器模塊

整個電路中加入輸入和輸出匹配網絡后，相互之間都存在著影響，需要對整個電路進行優化，來補償輸入匹配網絡對對輸出網絡的影響，以達到最大的功率輸出。即可將所有電路綜合起來進行整體的放大器仿真。其仿真電路圖如3所示。

圖3 放大器整體仿真原理圖Fig.3 Schematic diagram of amplifier

2 電路仿真與結果分析

對優化設計后的整個電路進行建模仿真，得到的仿真結果如圖4所示。

圖4 效率和輸出功率曲線Fig.4 Curves of effectiveness and output power

由圖4可以得到，在輸入功率在30 dBm時，輸出功率可達到50.46 dBm，可以滿足1 dB輸出功率30 W的要求，在該輸入功率處的效率達到70%；由圖5可以得到增益平坦度小于0.5 dB，在頻率2150～2170 MHz內效率在 70%以上，輸出功率在50 dBm以上，可見該功率放大器具有很高的效率，可以滿足系統設計的需求。

圖5 工作頻帶內效率和輸出功率曲線Fig.5 Curves of effectiveness and output power in working bands

3 結 論

本設計中對功率放大器設計過程和結果進行了分析，在ADS環境中進行了電路的調試和仿真，應用了源、負載牽引技術，利用LDMOS器件的高效率、高線性度，高輸出功率和高穩定性的特點，從而得到了高效率功率放大器。

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