1.95GHz功率放大器设计
1.95GHz功率放大器设计*
摘要：本文采用ADS软件设计中心频率1.95GHz两级功率放大器。给出了射频功率放大器的设计方法和过程。用负载牵引法（LoadPull）获得输出端的最佳匹配阻抗，并对功率附加效率、输出功率、增益等进行了仿真。仿真结果表明：该放大器在1.95GHz时，功率增益为18.370dBm，1dB压缩点输出功率为33.370dBm,，功率附加效率为28.42％。
关键词：功率放大器，PAE，负载线匹配，输出功率，ADS软件
1 引言
射频功率放大器在雷达、无线通信、导航、卫星通讯、电子对抗设备等系统中有着广泛的应用，是现代无线通信的关键设备。与传统的行波放大器相比，射频固态功率放大器具有体积小、动态范围大、功耗低、寿命长等一系列优点；由于射频功率放大器在军事和个人通信系统中的地位非常重要，使得功率放大器的研制变得十分重要。因此对该课题的研究具有非常重要的意义。
随着第三代无线移动通信系统的实现以及第四代移动通信系统的深入研究，全球的移动通信得到了迅速发展。射频功率放大器作为无线通信系统中一种必不可少的部件，起着至关重要的作用，它的设计好坏影响着整个系统的性能。因此：无线系统需要设计性能良好的放大器。利用ADS软件进行电路设计可以方便射频工程师进一步掌握电路的性能，在系统设计初期即可验证设计的正确性和可实现性，减少调试反复过程
而提高设计效率，加快产品开发的进程。
2射频功率放大器的仿真设计
2.1设计目标
设计的两级功率放大器的性能指标要求是：
工作频率：1.9-2.0GHz
1dB压缩点输出功率：30-33dBm
增益：18-20dB
输入输出驻波比：VSWR<2:1
增益平坦度:±0.5dB
本文中功率放大器是按最大1dB压缩点输出功率设计的，为了达到设计要求，功率放大器需要两级放大；末级功率放大器输出应具有35dBm的能力。综合考虑，第一级采用NEC 公司的NE651R479A，第二级采用NEC公司的NE6510179A。
2.2器件选取和拓扑结构确定
器件的选取工作作为放大器研制的前期工作，对于整个设计过程都有着极为重要的作用。因为如果器件选取得当，则设计过程会相对顺利，设计指标可以达到。如果器件选取不得当，则在设计过程中遇到的问题如果是由于器件木身特性的限制而引起的，就会导致放弃原有器件，重新选取其它器件，这样就会增加研制周期，增加研制成本。在射频功率放大器的器件选择过程中，大体上遵循几项基木原则：
A．根据指标要求，有针对性地选取适合频段的射频器件；
B．选取器件手册信息比较完备的器件，例如有些器件提供了大信号数和动态电阻，还有器件的等效电路模型。
C．在满足指标的情况下，选取性能价格比高的器件；
2.3放大管选取
放大管是整个放大器电路的核心器件，因此它的选取是前期设计工作的关键。根据放大器的具体设计要求，如工作频带，输出功率，增益来选择晶体管器件。通过查找比较最终选择了NEC公司的NE651R479A和NE6510179A，根据NEC公司提供的有源模型，通过仿真计算得到的结果与数据手册十分接近，因此，采用该器件进行仿真设计对实际设计具有较高的指导作用和借鉴意义。NE651R479A和NE6510179A是NEC公司生产的N沟道增强型场效应管，采用的是低成本的塑料封装，最高工作频率可达3.7GHz，主要应用于固定无线接入，工业、科学及医药设备等无线通讯设备。具有较高的输出功率线性增益，其中在5V工作电压时，NE651R479A能提供30dBm的功率输出，而NE6510179A则能提供高达35dBm 的功率输出；在1.9GHz时，NE651R479A和NE6510179A分别能提供12dB和10dB的线性增益。其中，NE6510179A还具有极低的热阻。
3功率放大器的仿真设计
3.1直流特性分析
在确定MESFET接地电感模型后，首先要对器件进行直流仿真，得到器件的直流I-V 曲线，根据I-V曲线确定器件静态工作点的参数，对MESFET器件，主要是由选定器件的VDS和Ids和VGS。具体电路如图1所示：
图1 ADS直流偏置仿真电路
使用ADS分别对NE651R479A和NE6510179A进行直流分析，结果分别如图2和图3所示。
图2 NE651R479A的直流I-V仿真曲线图3 NE6510179A的直流I-V仿真曲线
根据仿真结果：当VDS＝5.0 V，VGS＝-0.5162 V时，NE651R479A的漏极电流为250 mA。当VDS＝5.0 V，VGS＝-0.2175 V时，NE6510179A的漏极电流为1.2A。这样我们就确定了器件的直流偏置点,使放大器工作状态满足要求。
3.2稳定电路的分析
射频放大器与常规低频电路的设计方法完全不同，它需要要考虑一些特殊因素。尤其是入射电压波和入射电流波都必颂与有源器件良好匹配，以便降低电压驻波比．避免寄生振荡。因此，稳定性分析通常被作为射频放大器设计工作的第一步骤。
首先定义有源器件S 参数的一些表达式，以便更简洁地表示出放大器绝对稳定的充分必要条件。定义如下：
11221221S S S S ?=- 22211221221
12S S K S S --+?= 222111221B S S =+--? 211
*
221121121S S S S S μ-=-?+
对于放大器电路，其处于绝对稳定时的充要条件为：单参数判断准则即()1Mu μ>,或者两参数判断准则即{()1()0K StabFact B StabMeas >>。此时该放大器电路在1.9GHz-2.0GHz 频段上的三个参数值如图4所示：
图4 稳定性判据：K 、B 、μ参数
3.3输入输出匹配网络的设计
确定静态工作点和稳定电路后，需要对晶体管的输入输出端进行匹配。在小信号电路设计中，为了获得最大的功率传输，要求负载阻抗与信号源阻抗共轭，称为功率匹配，但在设计功率放大器时，出发点是输出大功率，一般是让晶体管工作在其额定输出功率状态。NE651R479A 的数据手册中并没有给出本仿真偏置条件下大信号的最佳源阻抗和负载阻抗。为使器件工作在最佳状态下，可采用“负载牵引测量”(Load-pull measurement)和“源牵引测量”(Source-pull measurement)测得所要求的最佳负载阻抗和源阻抗。其原理为在保证给定参数及输入端共轭匹配，输入功率不变的条件下，通过改变负载阻抗的电阻和电抗，观察负载变化对放大器输出功率的影响。
末级放大电路因为要得到高的输出功率，所以运用Load-pull 和Source-pull 来确定末级放大电路的输入和输出匹配。根据负载牵引仿真结果得我们到了负载的最佳阻抗值
2.24*5.63L Z j =-，
下一步就是采用适当的匹配形式(集总参数或分布参数)实现输出匹配网络，并将该输出匹配网络加入到电路中进行源负载牵引仿真，以便得到源最佳输入阻抗值8.82*9.54S Z j =-。
由于驱动级放大器设计中，我们追求最大的增益，因此输出输入匹配网络都采用共轭匹配设计。采用低通形式串连的电容器件既用于匹配，同时也起到了隔直的作用。由于前级我们要得到高的增益和线性度，所以我们采用功率匹配法可以确定驱动级的输入和输出匹配电路。
在设计好驱动级和功率级放大器后，下一步就是将两级放大器级联起来进行设计。由于之前做的输入输出匹配电路都是单独做的，所以把驱动级放大级级联起来后可能输入和输出回波损耗就会和之前单级的出现一定的偏差。所以把前级放大电路和末级放大电路级联起来后，必须对两级电路的输入﹑输出以及级间匹配进行和设计，使电路的输入和输出回波损耗达到最小。优化后的两级功率放大器电路如图5所示：
图5优化后的两级功率放大器
3.4结果分析
对优化后的电路进行大信号仿真，固定
输入频率1950MHz ，扫描功率0-30dBm,得到图6和7所示结果：
图6 输出功率和功率增益 图7基波和三次谐波功率
可以看出该功放在频率为1950MHz 时，输入功率为-4dBm 时的功率增益为19.780dBm ，输入功率为15dBm 时的功率增益为18.370dBm 。即放大器的输入1dB 压缩点约为15dBm,此时输出功率为33.370dBm,符合设计要求。
此时根据功率附加效率(power-added efficiency,PAE)计算公式out in DC
P P PAE P -=，可得在输入功率为15dBm 时，两级功率放大器的PAE 为28.42％。如图8所示。
图8 两级功率放大器的PAE
4 结束语
本章对如何设计一个两级射频功率放大器的流程做了详细的介绍。首先讨论了射频功率放大器设计的关于器件选择标准和电路拓扑结构选定问题。然后对放大器的设计方法作了一般性的介绍，以设计窄带放大器为例，运用小信号S参数设计了驱动级放大器，采用了负载匹配仿真方法来设计末级功率放大器，仿真设计的结果与预期的结果非常吻合。
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Design of 1.95GHz Power Amplifier
Abstract:In this paper, ADS software design center frequency of 1.95GHz two-stage power amplifier and Given RF power amplifier design methods and processes. Using load-pull method (LoadPull) was the best match the output impedance, and power added efficiency, output power, gain and so the simulation. Simulation results show that: The amplifier in 1.95GHz, the power gain 18.370dBm, 1dB compression point output power 33.370dBm,, power added efficiency of 30.30%.
Keywords: PA; PAE;LoadPull; Output Power; ADS