基于ADS高線性微波功率放大器設(shè)計(jì)

1、22通信與廣播電視󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2010年第34期基于ADS高線性微波功率放大器設(shè)計(jì)莊東曙󰀁陳文嘉*󰀁李躍進(jìn)*󰀁黃錦香*摘󰀁󰀁󰀁󰀁要基于ADS軟件,選取合適的靜態(tài)直流工作點(diǎn),采用負(fù)載牽引法得到LDMOS晶體管MRF21030的輸出和輸入阻抗特性,并通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化得到最

2、佳的共軛匹配網(wǎng)絡(luò),并采用功率回退的設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)出應(yīng)用于專用TD󰀁SCDMA領(lǐng)域的高線性功率放大器。ADS設(shè)計(jì)仿真表明該功率放大器P1dB輸出功率可達(dá)44󰀂666dBm,三階互調(diào)失真IMD3小于-60dBc,具有線性度高、穩(wěn)定性好、增益平坦度小等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞:LDMOS功率放大器󰀁ADS󰀁負(fù)載牽引法󰀁功率回退󰀁共軛匹配DesignofHighLinearityMicrowavePowerAmplifierBasedOnADSSoftwareZhuangDongshu󰀁ChenWenj

3、ia󰀁LiYuejin󰀁HuangJinxiangAbstractBasedonADSsoftwareandtheappropriatestaticdirectcurrentworkingpoin,twegettheoutputandinputimpedancecharacteristicofLDMOStransistorMRF21030bytheuseofload󰀁pullmethod,andtheoptimalconjugatematchnetworkthroughdesignandoptimiza󰀁tion.Wealsode

4、signthehighlinearitypoweramplifierforTD󰀁SCDMAwiththeapproachofpowerback󰀁of.fADSdesignsimulationindicatestheoutputpowerofthispowerampli󰀁fierP1dBcouldreach44󰀂666dBmwithIMD3lessthan-60dBc.Ithasthefeaturesofhighlinearity,goodstabilityandsmallgainflatness.Keywords:LDMOSPow

5、erAmplifierADS󰀁Load󰀁pullmethodPowerback󰀁off󰀁Conju󰀁gatematch󰀁CLC:TN43󰀁DocumentCode:A󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁*󰀁作者系南京熊貓股份有限公司寬帶移動(dòng)研發(fā)部技術(shù)人員󰀁󰀁󰀁*󰀁作者系南京熊貓股份有限公司寬帶移動(dòng)研發(fā)部助理工程師󰀁󰀁*&

6、#983041;作者系南京熊貓股份有限公司寬帶移動(dòng)研發(fā)部研究員級(jí)高級(jí)工程師󰀁*󰀁作者系南京熊貓股份有限公司寬帶移動(dòng)研發(fā)部高級(jí)工程師2010年第34期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁通信與廣播電視23一、引󰀁󰀁言隨著3G無(wú)線通信和專用通信領(lǐng)域新標(biāo)準(zhǔn)新技術(shù)的迅速發(fā)展,功率放大器作為3G通信基站系統(tǒng)、寬帶調(diào)試發(fā)射機(jī)、雷達(dá)、電子對(duì)抗的核心器

7、件起著越來(lái)越重要的作用。它不僅僅是將信號(hào)放大以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的可靠傳輸,而且對(duì)信號(hào)的線性度、穩(wěn)定度和帶寬等方面都提出了很高的要求。功率放大器的好壞成為了制約系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸,因此對(duì)于微波功率放大器的研究和設(shè)計(jì)有著重要是意義。TD󰀁SCDMA基站系統(tǒng)是3G無(wú)線通信系統(tǒng)研發(fā)的重要組成部分,作為我國(guó)自己提出的一種標(biāo)準(zhǔn),與WCDMA和CDMA2000方式不同,TD󰀁SCDMA采用TDD的雙工方式,使用直接序列擴(kuò)頻的碼分多址技術(shù)(DS󰀁CDMA),他的傳輸帶寬1󰀂6MHz,碼片速率1󰀂28chip/s,具有頻譜利用率高、成本低、數(shù)

8、據(jù)業(yè)務(wù)量大等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)在越來(lái)越得到人們的關(guān)注和重視。為了有效保證TD󰀁SCDMA通信的可靠性、穩(wěn)定性和擴(kuò)大專用領(lǐng)域通信的覆蓋范圍,非常有必要對(duì)TD󰀁SCDMA基站系統(tǒng)的功率放放大器進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。二、功率放大器分析與設(shè)計(jì)1󰀂󰀁設(shè)計(jì)指標(biāo)本設(shè)計(jì)目標(biāo)為專用TD󰀁SCDMA微蜂窩基站的微波功率放大器,設(shè)計(jì)采用freescale公司的LDMOS功率管MRF21030。設(shè)計(jì)的主要性能指標(biāo)為:工作頻段(Frequencyrange):20102025MHz;1dB壓縮點(diǎn)輸出功率(OutputP1dB)為30W;功率增益(Gain)

9、大于14dB;三階互調(diào)失真(IMD3)小于-45dBc;諧波抑制大于50dBc;增益平坦度要求小于0󰀂5dB;TD󰀁SCDMA信號(hào)信道輸出平均功率大于2W。2󰀂󰀁靜態(tài)工作點(diǎn)基于ADS仿真軟件中的FET_curve_tracer對(duì)MRF21030的Model進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)仿真設(shè)計(jì)。靜態(tài)工作點(diǎn)仿真時(shí),設(shè)置直流偏置電壓3󰀂2V4󰀂5V,考慮到功率放大管在高溫條件下增益下降的特性,這個(gè)選取工作電壓VDS為30V,靜態(tài)工作電流IDS選取590mA比MRF21030數(shù)據(jù)手冊(cè)上大很多,以便獲得更好的線性庫(kù)。從圖1

10、選取的IQ靜態(tài)工作點(diǎn)和交流負(fù)在線的I󰀁V曲線特性中可以看出該MRF21030在輸出功率30W的條件下處于AB類的工作狀態(tài)。3󰀂󰀁負(fù)載牽引法設(shè)計(jì)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(tài)下工作,并充分發(fā)揮其潛力,所以采用負(fù)載牽引特征對(duì)MRF21030進(jìn)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(lái)進(jìn)行功率放大器設(shè)計(jì)。按上述確定好的最佳靜態(tài)直流工作點(diǎn)設(shè)置好電路,然后基于ADS軟件中的Load󰀁Pull󰀁PAE,OutputPowerContours對(duì)該偏置好MRF21030電路模型進(jìn)行負(fù)載牽

11、引的最佳輸出阻抗設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)仿真頻率fs選取2010MHz2025MHz的中間頻率2017󰀂5MHz作為仿真頻率,仿真24通信與廣播電視󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2010年第34期圖1󰀁I󰀁V曲線圖表圖2󰀁最佳負(fù)載阻抗該MRF21030模型在VDS=30V,IDS=590mA靜態(tài)工作點(diǎn)的條件下,能夠得到理想的最大效率PAE為61

12、󰀂13%,最大P1dB輸出功率為44󰀂7dBm。綜合考慮輸出功率、效率和線性度等條件,這里選取ZL=23󰀂752+*j0󰀂397作為該MRF21030模型在該靜態(tài)工作條件下的最佳輸出阻抗點(diǎn)(m3點(diǎn)),并以其共軛ZL=23󰀂752-*j0󰀂397作為輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的阻抗。從圖2中可以看出在此輸出阻抗處,其效率60󰀂32%和P1dB輸出功率44󰀂25dBm都是非常接近理想值的。,AE,2010年第34期󰀁󰀁󰀁𘀀

13、1;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁通信與廣播電視25偏置好MRF21030電路模型進(jìn)行負(fù)載牽引的最佳輸入出阻抗設(shè)計(jì),這時(shí)需要把按最佳輸出阻抗匹配好的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)加入到電路中進(jìn)行仿真。選取得到最佳的輸入阻抗點(diǎn)ZS=6󰀂961-j*17󰀂589,并以它的共軛ZS=6󰀂961+*j17󰀂589作為輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的參考。得到的輸出阻抗和輸入阻抗如下表1所示。表1󰀁VDS=30V,頻率(MHz

14、)2017󰀂5IDS=590mA的輸入輸出阻抗輸出阻抗(Zload)23󰀂752-*j0󰀂397輸入阻抗(Zsource)6󰀂961-*j17󰀂589整個(gè)電路中加入輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)后,相互之間都存在著影響,需要對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行優(yōu)化,來(lái)補(bǔ)償輸入匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)對(duì)輸出網(wǎng)絡(luò)的影響,以達(dá)到最大的功率輸出。同時(shí),為了減少匹配傳輸線因?yàn)閷捳灰恢聨?lái)的不連續(xù)性,加入MTaper進(jìn)行寬帶帶線的過(guò)度連接,并且電路中的電容、電感、電阻器件替換為實(shí)際廠家的器件模型,在這個(gè)電路中采用的murata的器件模型,盡可能的模擬實(shí)際電路的情況來(lái)進(jìn)行電

15、路的優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真。三、電路仿真和分析對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的整個(gè)電路進(jìn)行建模仿真,得到的仿真結(jié)果如下圖所示。圖3󰀁1dB壓縮特性曲線26通信與廣播電視󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2010年第34期圖4󰀁經(jīng)諧波濾波后的諧波特性圖5󰀁輸出三階互調(diào)頻譜特性表2󰀁功放設(shè)計(jì)仿真數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)工作頻段典型增益P1dB輸出功率諧波特性三階互調(diào)失真IMD

16、3增益波動(dòng)備注指標(biāo)要求20102025MHz14dB󰀂44󰀂5dBm󰀂50dBc -45dBc 0󰀂5dB設(shè)計(jì)結(jié)果20102025MHz14󰀂2dB44󰀂666dBm110dBc -60dBc0󰀂2dB三階互調(diào)測(cè)試條件:雙音信號(hào)Pin=30dBm󰀁!f=2MHz2010年第34期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁♦

17、41;󰀁󰀁通信與廣播電視27在圖3的1dB輸出特性曲線中,可以看出P1dB輸出功率可達(dá)到44󰀂666dBm,已經(jīng)非常接近理想的最大輸出功率值可以滿足1dB輸出功率30W的要求,在其線性放大區(qū)域范圍內(nèi)的增益約為14󰀂2dB;圖4為該功率放大器經(jīng)諧波低通濾波器BLP后得到的諧波特性,可見(jiàn)其二三次諧波被大大的抑制,二次諧波-110󰀂5dBc,三次諧波-141󰀂2dBc。圖5中,輸入雙音信號(hào)頻率間隔2MHz,雙音信號(hào)功率20󰀂5dBm,仿真得到信號(hào)輸出功率30󰀂153dBm,

18、電路的三階互調(diào)失真(IMD3)為30󰀂153dB-(-30󰀂726dB)=60󰀂879dBc,可見(jiàn)該功率放大器具有很高的線性度,可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求,對(duì)其進(jìn)行線性輸出功率的提高也有一定的擴(kuò)展度。四、結(jié)󰀁󰀁論本文利用LDMOS器件的高線性度,高輸出功率和高穩(wěn)定性的特點(diǎn),采用負(fù)載牽引的設(shè)計(jì)方法,得到了在最佳的輸入和輸出阻抗,通過(guò)ADS設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、電路的優(yōu)化,來(lái)達(dá)到最大的功率輸出。在高線性處理時(shí),采用功率回退的設(shè)計(jì)方法,從而得到了三階互調(diào)失真IMD3小于-60dBc的高線性功率放大器的設(shè)計(jì)。參󰀁考󰀁文ϗ