应用 PA Loadpull 数据建立 PA模型进行输出匹配和发射链路设计
应用PA Loadpull 数据建立PA模型进行输出匹配和发射链路设计
杨国华，李坚
索尼爱立信移动通信产品（中国）有限公司
摘要：本文介绍了一种通过Maury tuner实测PA Loadpull数据导入ADS建立PA模型的方法，并将通过Momentum以电磁场仿真方式提取的PCB模型与器件模型进行共仿真设计PA输出匹配网络和射频发射链路。最后对整个发射链路的部分射频性能进行仿真分析。
关键字：ADS, PA Load pull, Maury Tuner, Co-simulation, Tx Link, S parameters, PA modeling
一、引言
在进行PA输出匹配和发射链路设计时往往需要PA模型。由于涉及知识产权，很难从PA供应商拿到PA精确的Spice模型。但是PA Load Pull数据却相对容易从供应商获得或者自行通过Tuner进行测量。我们能否使用Load Pull测量数据建立PA模型并进行输出匹配和发射链路设计呢？答案是肯定的。现在使用ADS软件不但可以轻松高效地完成整个电路建模和设计，还能利用Momentum 将电路模型放置在PCB Layout上进行电路和电磁共仿真，在设计时就把PCB Layout对电路的影响计算在内。下面以一个具体的移动电话射频设计为例详细说明这一方法。
二、设计需求
射频发射链路的框图和连接关系如图1-1所示，根据下列条件设计PA最大增益输出匹配网络并对发射链路射频性能进行分析。设计中需将印刷电路板的影响一并考虑。
图1-1
工作频率：1850-1910MHz
PA源阻抗：50 ohm
PA最大增益：>=25dB
三、器件模型建立
3.1 PA模型建立
3.1.1 用PA的S参数建模和设计匹配电路面临的问题
对于双向（）器件，带有负载L的PA输入端的信号流图，如图3-1所示。从PA输出端向PA源端的信号流图，如图3-2所示
图3-1 图3-2
根据信号流图，图3-1和图3-2，得到PA输入端和输出端反射系数表达式，见式3-1和式3-2
式 3-1 式3-2
根据式3-1和式3-2可知PA输入阻抗与PA负载阻抗有关系，PA输出阻抗与PA的源阻抗有关。在设计PA输入输出匹配时需联立两式求解。
3.1.2 使用PA Load Pull数据为PA建立模型
通过ADS使用PA Load Pull模型进行匹配设计时无需解此方程，Load Pull数据在测量时已将源阻抗对PA 增益和功率的影响计入测量结果。Load Pull数据可以很直观的以等高线形式绘制在史密斯图上，并可将匹配网络设计目标直观的表示出来。
使用Maury Tuner搭建Load Pull测试环境，进行系统校准后对PA进行测量。应用ADS自带的Load Pull Utility 按照图2-1所示操作将测量数据导入。在Step6中点击图2-1红圈内Generate Contours按钮，即可看到PA增益
的等高线图，见图2-2所示。本文只关注功率增益。如需显示Load Pull数据中包含的其它变量等高，只需在step4和step5中加入即可。
图2-1 图 2-2
利用Load Pull Utility模型建立功能将Load Pull数据转换成PA模型，如图2-3所示。在Behavioral Model 页面按图所示产生基于Load Pull的PA模型，如图2-4所示。
图2-3 图2-4
3.2 Duplexer仿真模型建立
使用S parameters对Duplexer建模，应用已校准的Agilent VNA将测量的Duplexer S parameters保存为Touchstone类型的S3P文件，如图2-5所示，并在ADS中引用，见图2-6所示。
图2-5 图2-6
3.3 PCB Layout模型建立
将本设计中用到的PCB Layout导入Momentum,图2-7和图2-8所示，设置端口后进行S parameters仿真。将仿真结果生成PCB Layout器件模型，如图2-9所示。
图2-7 图2-8 图2-9
3.4 电感，电容模型建立
本例中使用电感和电容由muRata提供，模型也由muRata提供，需在DesignKit中将模型库安装后，即可在仿真中使用，图2-10所示为加入muRata器件库后的原理图编辑窗口
图2-10
四、输出匹配网络设计
4.1输出匹配网络需求分析
PA的负载阻抗由PA输出匹配网络，Duplexer和印刷电路板级连构成。完成本设计需要建立Duplexer和与之相连接的印刷电路板模型，并通过PA输出匹配网络调整PA此级联网络的输入阻抗，使其在Smith Chart上进入PA最大输出增益的等高线区域。
4.2 输出匹配网络仿真设计
在schematics编辑界面使用前面已建好的器件模型绘制系统电路图，将匹配网络用0 ohm代替，计算未进行匹配的PA负载阻抗，见图4-2史密斯图圆心附近红色曲线所示。我们设计匹配网络的目的就是将未进行匹配的PA负载阻抗曲线移动到以m1为圆心，半径小于0.1的圆内，也就是PA增益最大的等高线内。
图4-1 图4-2
设计步骤一
电感L1和电容C1采用离散优化模式，设置电感L1的搜索范围1nH Part number LQP03TN1N0804到33nH Part number LQP03TN33NJ04，初始值为4n7 Part number LQP03TN4N7H04 如图4-3所示,电容C1搜索范围1pF Part number GRM0335C1H1R0BD01到39pF Part number GRM0335C1E390JD01，初始值为5pF GRM0335C1H5R0BD01。Term1阻抗设置为m1圆心的共轭30.6-8j，将优化目标的表达式设为dB(S(1,1))，Max= -20为优化结束条件，如图4-4所示。
图4-3 图4-4
图4-5 图4-6
设计步骤二
运行仿真，待仿真结束后选择simulation->Update Optimization Values,软件自动将匹配网络电容C1为1p5，电感L1为3n1的Part Number更新到原理图上，如图4-5所示。手动将Term1重新改回50 ohm，运行S参数仿真器，在数据显示窗口可以看到PA的输出负载阻抗已经被匹配到最大增益等高线内部，如图4-6所示。至此PA 输出匹配计算完成。
五、系统发射链路性能分析
将PA模型和WCDMA信号连入电路图，如图5-1所示，至此系统发射链路建立完毕。运行包络仿真，PA 输入信号功率0dBm，图5-2为射频测试端口V out处输出信号功率谱。在ADS数据显示窗口应用表达式对输出频谱功率进行信道内积分，得出输出平均功率为23.488dBm，符合3GPP要求见图5-2。
图5-1 图5-2
5.1目前器件模型可分析如下系统射频性能
⑴带内功率谱
⑵群时延分析
⑶如与数据流仿真器结合还可分析由传输引入的EVM增量以及带内的CCDF特性。
5.2 目前器件模型带来的分析局限性
本文中PA模型由于不包含SOI和TOI非线性特性，另外Duplexer模型只包含工作频段在内的600MHz带宽数据，所以此链路只可进行与系统线性特性相关的带内射频性能分析，如需进行带外和非线性分析只需在测量Load Pull时将SOI，TOI一并测出在PA建模时选择加入即可，另外还需加大Duplexer测量频率范围。
由于WCDMA信号非恒包络特性，进行分析时PA输入信号功率不宜过大，使PA输出功率满足3GPP或者系统要求即可。
在拥有PA非线性模型后进行非线性分析时，还需进一步确认Order>3的谐波是否适用。
六、总结
文中所应用的器件模型均为从实际器件中提取，应用这种方法可以比较精确的构建射频链路，提高仿真精度，在原型机试产前就可以将问题发现，在设计阶段就将问题解决并对设计进行优化，减少原型机调试工作量，降低技术风险，节约项目成本。
参考文献
[1] Reinhold Ludwig, Pavel Brethchko, RF Circuit Design Theory and Applications Science Press and Pearson Education North Asia Limited
[2] ADS Design Guide Agilent Technologies
[3] EEsof Knowledge Center
[4] EEsof Asian Support Center