基于負(fù)載牽引技術(shù)的射頻功率放大器設(shè)計(jì)

1、功率放大器處于通訊系統(tǒng)中信號(hào)發(fā)射機(jī)地最末端,用來(lái)放大信號(hào) ,與小信號(hào)放大器不同,它要輸出一定地功率給負(fù)載 .效率是功率放大器地一個(gè)基本指標(biāo),就非恒包絡(luò)調(diào)制方式而言,包絡(luò)中攜帶有用信息 ,因此又需要功率放大用具有一定地線性度.射頻功率放大器工作在大信號(hào)狀態(tài)時(shí) ,會(huì)由于晶體管地非線性而表現(xiàn)出較強(qiáng)地非線性特性,從而使得信號(hào)失真,所以小信號(hào)放大器地設(shè)計(jì)方法并不適合射頻功率放大器地設(shè)計(jì).小信號(hào)分析法地發(fā)展主要是基于線性控制理論 ,線性控制理論發(fā)展了一系列行之有效地設(shè)計(jì)理論,這就使得小信號(hào)放大器地設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單可靠 .而大信號(hào) ,則是非線性控制要關(guān)注地題目,但非線性控制理論中數(shù)理運(yùn)算十分復(fù)雜,沒(méi)有線性控制理

2、論那樣簡(jiǎn)單直觀.利用負(fù)載牽引技術(shù),可以在沒(méi)有大信號(hào)S 參數(shù)地情況下 ,不斷變化負(fù)載阻抗,找到射頻功率放大器輸出功率最大（或效率最高）時(shí)地那個(gè)負(fù)載阻抗,即所謂地最佳阻抗.文中描述了5.2-GHzWLAN地射頻功放地設(shè)計(jì)方法,借助高頻電路 設(shè)計(jì)輔助軟件ADS進(jìn)行負(fù)載牽引 ,然后設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò) ,接著設(shè)計(jì)輸進(jìn)匹配網(wǎng)絡(luò),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化.最后給出了增益、輸出功率、附加效率等參數(shù) .1 、放大電路地設(shè)計(jì)本次電路設(shè)計(jì)采用臺(tái)積電TSMC 0.18umCMOS工藝 ,放大電路如圖1 所示 ,電路結(jié)構(gòu)為差分形式,采取兩級(jí)放大,分別為驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí).驅(qū)動(dòng)級(jí)采用差分地共源共柵（Cascode） 結(jié)構(gòu),可以提供適

3、當(dāng)?shù)仉妷涸鲆妫惠敵黾?jí)也是差分地共源共柵結(jié)構(gòu),在提供一定地電壓增益地同時(shí),還提供輸出功率,這種結(jié)構(gòu)可以進(jìn)步功放輸出電壓地?cái)[幅,從而降低對(duì)晶體管最大電流能力地要求,進(jìn)步功放地效率.兩級(jí)之間采用地耦合電容Cp和 Cn, 在進(jìn)步隔離度地同時(shí)起到級(jí)間阻抗匹配地作用.電感L1p 、 L2p 、 L1n 、 L2n用作負(fù)載,電感Lnp用來(lái)抵消源極寄生微波電子網(wǎng)Address :電容對(duì)功放效率地影響,其中 L1p 、L1n和 L2n 采用高 Q 值地鍵合線電感實(shí)現(xiàn)匹配網(wǎng)絡(luò)由巴倫轉(zhuǎn)換成兩路信號(hào) Vinp和 Lnp采用工藝庫(kù)里地片上螺旋電感來(lái)實(shí)現(xiàn),而 L2p,這樣可以有效進(jìn)步功放地增益.單路輸進(jìn)信號(hào)經(jīng)輸進(jìn)和 Vi

4、nn, 放大后地兩路信號(hào)Voutp和 Voutn經(jīng)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)由巴倫轉(zhuǎn)換成一路信號(hào)送至天線.圖 1、放大電路結(jié)構(gòu)示意圖2 、負(fù)載牽引技術(shù)地應(yīng)用負(fù)載牽引技術(shù)可以由實(shí)際丈量系統(tǒng)23 和高頻電路設(shè)計(jì)輔助軟件45 兩種方式實(shí)現(xiàn) ,但是搭建一個(gè)負(fù)載牽引丈量系統(tǒng)地本錢相當(dāng)之大,而且不易實(shí)現(xiàn) ,本文采用ADS 軟件對(duì)上面所設(shè)計(jì)地功率放大器使用負(fù)載牽引（Loadpull）技術(shù)有規(guī)則地搜尋史密斯（Smith ）圓圖上地 每個(gè)區(qū)域 ,確定最佳負(fù)載地阻抗值；然后設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò),將實(shí)際負(fù)載阻抗（通常為50） 變換到最佳負(fù)載阻抗.負(fù)載牽引技術(shù)應(yīng)用于功率放大器地設(shè)計(jì)如圖2 所示 ,中間地電路模塊是在圖 1 放大電路地基

5、礎(chǔ)上引進(jìn)了巴倫從而使得信號(hào)單端輸進(jìn)單端輸出.微波電子網(wǎng)Address :圖 2 、負(fù)載牽引仿真框圖負(fù)載牽引結(jié)果如圖3 所示 ,同一條等高線代表地是相同地輸出功率,越趨向于中心點(diǎn),輸出功率越大 ,最中心點(diǎn)為最大輸出功率,這是一個(gè)不斷收斂地過(guò)程.等高線輸出功率公式如下：上式中 ,Pdelmax到以 Pdelmax為最大輸出功率為中心、 Pdel_step,contour6是軟件中自帶地等高線函數(shù)為步進(jìn)地等高線,如圖 3 所示 .,由此公式可以得微波電子網(wǎng)Address :圖 3 、負(fù)載牽引結(jié)果對(duì)應(yīng)于最大輸出功率地負(fù)載即為最佳負(fù)載,由圖 3 可知 ,此次設(shè)計(jì)地功率放大器地最佳負(fù)載阻抗為（ 39.14

6、2+j9.092） 接下來(lái)設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)使實(shí)際負(fù)載與最佳負(fù)載形成共軛匹配,從而使輸出功率最大化,使用Smith圓圖做匹配 .3 、整體仿真輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)做完后再做輸進(jìn)匹配網(wǎng)絡(luò) ,將輸進(jìn)阻抗匹配到端口阻抗 (50 ),輸進(jìn)匹配網(wǎng)絡(luò)地主要目地是要提供夠高地增益 ,這與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)是為了達(dá)到所要求地輸出功率 不同.S 參數(shù)中 S11 表征輸進(jìn)匹配情況 ,S21 表示增益 ,仿真結(jié)果如圖 4 所示 ,由此可以看 出輸進(jìn)匹配較好且增益基本符合要求 .圖 4、 S 參數(shù)仿真結(jié)果最后使用增益壓縮仿真,得到輸進(jìn)1dB壓縮點(diǎn)約為 -9dBm, 在 1dB壓縮點(diǎn)處地輸出功率以及功率附加效率如圖5 所示 ,這種結(jié)果滿足指標(biāo)要求.微波電子網(wǎng)Address :圖 5 、輸出功率與功率附加效率（PAE）4 、總結(jié)本文描述了 5.2-GHz WLAN地射頻功率放大器地設(shè)計(jì)方法,首先設(shè)計(jì)放大電路,接著利用負(fù)載牽引技術(shù)找到能使輸出功率最大化地最佳輸出阻抗,以此為依據(jù)利用 ADS 軟件中地Smith