基于BLP8G27的功率放大器的仿真與設(shè)計(jì)*

李世文 ，李立聰

（1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 河源 517000；2.深圳佳姆斯科技有限公司，廣東 深圳 518110）

0 引 言

功率芯片BLP8G27-10是由Ampleon公司生產(chǎn)的一款芯片，它可以應(yīng)用在2G、3G、4G等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，在具體設(shè)計(jì)中其輸出的功率和效率對系統(tǒng)性能指標(biāo)影響很大。由于功率放大器與小信號(hào)放大模型不同，功率放大可以工作在非線性區(qū)，這樣對設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和技巧有一定的要求，同時(shí)功率放大器不能簡單地只做S參數(shù)的分析。所以在功率放大器的設(shè)計(jì)方面確定阻抗的時(shí)候，有兩種辦法，一種是根據(jù)供電直流電壓和輸出功率來計(jì)算出最佳負(fù)載[1]，最后根據(jù)最佳負(fù)載來進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)和輸出功率的確定，另外一種辦法就是采用負(fù)載牽引的辦法來獲取功率放大的輸出阻抗。

前一種辦法獲得的負(fù)載不包含阻抗的虛部，所以獲得的功率誤差比較大，但是還有部分設(shè)計(jì)人員采用這種辦法。第二種方法獲取的負(fù)載較為精確，所以現(xiàn)階段在功率設(shè)計(jì)中大部分都是采用負(fù)載牽引的辦法，但是這種設(shè)計(jì)需要芯片公司提供相關(guān)的模型，如果沒有模型自己搭建一套功率牽引系統(tǒng)價(jià)格就較為昂貴。本文采用的芯片BLP8G27-10的仿真模型可以直接從公司主頁下載，然后利用高級設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Advanced Design System，ADS）仿真軟件對BLP8G27-10的功率放大電路進(jìn)行了仿真與設(shè)計(jì)，最后對相關(guān)電路進(jìn)行了測試。

1 設(shè)計(jì)原理及指標(biāo)分析

功率放大電路的原理如圖1所示，電路包括電源、輸入匹配電路、功率放大電路、輸出匹配電路和負(fù)載[2]。

圖1 功率放大器原理圖

在直放站中負(fù)載通常為天線，其輸入阻抗一般為50Ω，輸入匹配前電路為前級的輸出，一般已經(jīng)匹配到50Ω，功率放大電路的輸入和輸出阻抗一般需要進(jìn)行與50Ω匹配，這里功率放大電路的輸入和輸出阻抗采用源牽引和負(fù)載牽引的方法得到。匹配電路左邊從源端看向負(fù)載端的輸入阻抗Zin，從負(fù)載端看向源端的輸入阻抗為Z′in。匹配電路右邊從源端看向負(fù)載端的阻抗輸出阻抗Zout，從負(fù)載端看向源端的阻抗Z′out。其Zin和Z′in需要互為共軛Zout和Z′out也需要互為共軛，這樣就可以獲得最大功率傳輸。但是在設(shè)計(jì)之前是沒有匹配網(wǎng)絡(luò)的，這樣就需要增加匹配電路，這里通過匹配電路Zout變換Z′in的共軛Zin。具體在匹配的時(shí)候可以采用ADS的Smith圓圖進(jìn)行匹配。

在功率放大電路中，我們設(shè)計(jì)的目的是為了獲得較大的輸出功率和效率，但是在通信網(wǎng)絡(luò)中的輸出功率和效率都無法同時(shí)滿足，所以我們一般是按照最大功率輸出進(jìn)行設(shè)計(jì)，效率一般不是很高，一般甲類功放效率都在30%～40%。所以本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是系統(tǒng)穩(wěn)定、效率在45%左右，增益在30 dB左右。為達(dá)到目標(biāo)采用BLP8G27-10功率管，數(shù)據(jù)表明該功率管最大可以輸出10 W的LDMOS功率管，使用頻率在700～2 700 MHz范圍內(nèi)。

2 具體電路設(shè)計(jì)與仿真

2.1 直流分析和電路穩(wěn)定性分析

功率管要正常工作，需要一個(gè)合理的偏置電壓，所以需要知道管子的直流特性，這樣就需要對功率管進(jìn)行直流掃描，圖2為直流分析的原理圖，圖3為直流掃描結(jié)果，為了保證管子正常工作VDS=28V，VGS=3V。

圖2 直流掃描結(jié)果

圖3 穩(wěn)定性處理后的仿真結(jié)果

設(shè)置好電路的偏置之后就需要對首先確定其穩(wěn)定性[3]，我們在ADS中對其進(jìn)行穩(wěn)定性分析的時(shí)候發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性系數(shù)小于，這樣管子就有可能處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要對管子進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，在穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中我們采用在電路中串聯(lián)一個(gè)5 Ω的小電阻，進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)好后，我們對其再進(jìn)行穩(wěn)定性分析，由圖3發(fā)現(xiàn)在頻率2 GHz附件穩(wěn)定性系數(shù)1.019，系數(shù)大于1，系統(tǒng)已經(jīng)處理穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 負(fù)載牽引與源牽引及其阻抗匹配仿真設(shè)計(jì)

負(fù)載牽引[4]是指在大信號(hào)時(shí)，負(fù)載阻抗隨輸入信號(hào)功率的變化而變化。根據(jù)每個(gè)輸入功率的值，在Smith圓圖上畫出不同負(fù)載的等功率曲線，最后根據(jù)等功率曲線找到最大輸出功率值。首先利用ADS中的范例Load-Pull工程進(jìn)行修改進(jìn)行負(fù)載牽引仿真，具體如圖4所示，功率管改為BLP8G27-10，并讓其處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 負(fù)載牽引圖

對圖4進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5和6所示，從仿真結(jié)果可以看出，該功率放大管的最大輸出功率時(shí)所對應(yīng)的效率為20.63%，輸出功率為38.27 dBm。圖5中粗線條為功率附加效率（Power Added Efficiency，PAE），PAE的等效率圓，細(xì)線條為等功率圓，通過該圖我們可以找到等效率圓和等功率圓的圓心，圓心對應(yīng)的就是輸出的最大效率和最大功率輸出。兩個(gè)圓的圓心不一定重合，可以根據(jù)具體情況選擇最大功率輸出，或者最大效率輸出[5]。具體在尋找圓心時(shí)，可以修改半徑和圓心坐標(biāo)，修改時(shí)需要滿足圓心坐標(biāo)和半徑的平方和小于1，如果不滿足就有可能不收斂，所以在找圓心時(shí)，根據(jù)輸出的等功率和等效率圓的情況，多次修改半徑和圓心坐標(biāo)就能找到圓心。如果實(shí)在找不到圓心就需要考慮電路是否處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 等功率和等效率圓圖

找到合適的圓心和半徑后，根據(jù)功率放大管的最大輸出功率和效率確定功率放大管的輸出負(fù)載，具體如圖6所示，由圖6可知，最大輸出功率為38.27 dBm和效率為20.63%所對應(yīng)的的位置為M3點(diǎn)，此時(shí)該點(diǎn)的輸出阻抗為1.649+j2.399，輸入阻抗為5.62+j1.39，輸入反射系數(shù)為0.8/177。通過負(fù)載牽引的目的主要是找到輸出所對應(yīng)的負(fù)載。找到負(fù)載之后就可進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，匹配原理如上述所示，具體匹配利用ADS中的Smith工具，利用該工具把負(fù)載的共軛1.649-j2.399，匹配到50 Ω，我們設(shè)定電路的Q值為1.5。匹配的時(shí)候需要注意所需元件越少越好，直到滿足要求，具體匹配如圖7所示，匹配過程從負(fù)載開始進(jìn)行匹配，從圖8中可以看出該匹配電路之后S21和S22都可以滿足要求，匹配完成之后可以直接生成電路圖，該電路如圖9所示。

圖6 最大輸出功率和效率圓心坐標(biāo)

圖7 Smith阻抗匹配過程

圖8 匹配之后的S參數(shù)

圖9 輸出匹配電路圖

在負(fù)載牽引和匹配之后，接下來可以進(jìn)行源牽引，源牽引可以在把輸出匹配電路接入輸出端，也可以不接入，源牽引的主要目的是找到最大輸出功率的圓心。我們對源牽引電路進(jìn)行仿真，最終找到阻抗為6.979-j*2.63時(shí)其所對應(yīng)的功率最大。找到該阻抗之后就對其取共軛6.979+j*2.63，把其共軛值與50 Ω進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，具體匹配過程如圖10所示，從圖11中可以看出該匹配電路之后S21和S22都可以滿足要求，匹配之后生成的電路如圖12所示。

圖10 輸入阻抗匹配圖

前后都加入匹配并優(yōu)化之后[6]的電路如圖13所示，因?yàn)樽詣?dòng)生成的匹配電路是理想的傳輸線，所以需要把這種傳輸線轉(zhuǎn)化為微帶線。

圖11 阻抗匹配后的S參數(shù)

圖12 匹配后生成的電路圖

我們利用ADS的Line Calc計(jì)算工具，計(jì)算出微帶線的長度和寬度。

3 優(yōu)化后的電路及結(jié)果分析

對圖13進(jìn)行仿真分析的，由圖14可知其1 dB壓縮點(diǎn)在39 dBm左右。圖15為輸出功率與效率所對應(yīng)的曲線，由圖15可知輸出功率為39 dBm時(shí)輸出的效率大概在40%左右。

圖13 優(yōu)化后的電路圖

圖14 功率增益圖

圖15 效率與功率增益關(guān)系圖

圖16 小信號(hào)S參數(shù)分析圖

圖16是進(jìn)行小信S參數(shù)分析的仿真結(jié)果S參數(shù)主要包S11，S12，S21，S22，S11為輸入段的反射系數(shù)，即回波損耗。S21為網(wǎng)絡(luò)的前向輸出增益，S22為輸出端反射系數(shù)，S12指從輸出端到輸入端的反向增益，圖16橫坐標(biāo)為掃描頻率，縱坐標(biāo)為幅度，S21的增益隨頻率增加有下降趨勢，該值越大越好。輸出端到輸入端的反向增S12隨頻率的增加最為明顯。該電路在2 GHz時(shí)增益大概為17 dB，S12反射系數(shù)小于-30 dBm。

電路設(shè)計(jì)好后，我們最后對電路的穩(wěn)定性分析，電路絕對穩(wěn)定需要系數(shù)大于1，電路穩(wěn)定處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 功率放大器實(shí)物及測試

在仿真之后，根據(jù)仿真情況我們把BLP8G27-10應(yīng)用到微型直放站中，并制作出了印制電路板（Printed Circuit Board，PCB），PCB設(shè)計(jì)是系統(tǒng)工作正常的關(guān)鍵，在微波電路中PCB雙面板就可以構(gòu)成微帶線，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候按照微帶線的相關(guān)理論進(jìn)行，需要考慮頂層線和線之間，底層和頂層線和線之間的分布參數(shù)。本設(shè)計(jì)的PCB電路板為2層電路板。在電路板制作出來后對該功放電路進(jìn)行了增益測試和效率測試。

由于該芯片里面集成有2個(gè)放大管，所以在實(shí)際測試的時(shí)候增益大概為28 dB的線性增益，整體效率和仿真差不多，增益和仿真相比有所減少。

5 結(jié) 語

本文對基于BLP8G27-10的功率放大電路進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，首先分析其直流特性并設(shè)定靜態(tài)偏置，其后采用負(fù)載牽引和源牽引的方法找到最大輸出功率所對應(yīng)的負(fù)載阻抗和輸入阻抗，根據(jù)所得到的阻抗進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，最后把匹配之后的電路接入到功率管中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并進(jìn)行了實(shí)物制作，測得增益為28 dB，效率為40%，從實(shí)際的測試結(jié)果看滿足相關(guān)指標(biāo)要求。可以應(yīng)用在直放站系統(tǒng)中。