【摘要】本文介紹了史密斯圓圖理論,并使用ADS仿真軟件和RD15VHF1芯片完成了射頻功率放大器的設(shè)計,主要應用在VHF波段數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)上,同時給出實際電路以及測試結(jié)果。
【關(guān)鍵詞】功率放大器;ADS;數(shù)字音頻廣播;RD15VHF1
1.引言
DAB(數(shù)字音頻廣播,Digital Audio Broad-casting)是傳統(tǒng)的AM、FM模擬廣播之后新一代數(shù)字廣播系統(tǒng),采用編碼正交頻分復用的方式,有很高的頻帶利用率,并具有抗噪聲、抗干擾、適合高速移動接收等優(yōu)點。射頻功率放大器作為DAB發(fā)射系統(tǒng)的重要組成單元之一,性能的好壞會直接影響到整個系統(tǒng)的工作。
本文利用史密斯圓圖理論和安捷倫公司的ADS仿真軟件設(shè)計射頻放大器,通過史密斯圓圖工具,代替了復雜的復數(shù)計算,最后參考仿真結(jié)果對實際電路進行調(diào)整和測試,完成設(shè)計并給出了具體的電路和測試結(jié)果。
2.理論分析
在信號傳輸?shù)倪^程中,當信號進入晶體管后,由于阻抗的不匹配,會產(chǎn)生反射電壓,反射電壓的大小常用反射系數(shù)來衡量,且存在關(guān)系:
(1)
其中,為特征阻抗,從上式可以清楚的看出阻抗和反射系數(shù)之間的關(guān)系,這個關(guān)系式是一個復數(shù),較為復雜且很不實用,可以用史密斯圓圖來替代關(guān)系式(1)。
2.1 史密斯圓圖
史密斯圓圖是解決傳輸線、阻抗匹配極為有用的工具,是在電壓反射系數(shù)的極坐標軸上,根據(jù)歸一化阻抗同反射系數(shù)的關(guān)系式(1),在極坐標軸上繪制的阻抗曲線。圖1和圖2分別表示的是歸一化阻抗實部(電阻)和虛部(電抗)在反射系數(shù)極坐標下的曲線,剛好為圓心和直徑不同并在橫軸上一點相交的圓。
根據(jù)串聯(lián)或者并聯(lián)不同的元件在圓圖上會有不同的運動軌跡的方法,史密斯圓圖可以方便的將阻抗匹配到的需要的值上,而不需要復雜的復數(shù)計算。
圖1 史密斯電阻圓圖
圖2 史密斯電抗圓圖
2.2 射頻放大器的增益
增益是射頻放大器的重要指標之一,功放的增益可表示為:
(1)
其中表示不同網(wǎng)絡處的電壓反射系數(shù)(如圖3所示),S21表示晶體管的增益,由公式推導可得,若,,即共軛相等時,放大器可以獲得最大增益。反映在史密斯圓圖上就是將這兩對反射系數(shù)的坐標分別匹配在相同的電阻圓上和相反的電抗圓上,即以橫軸為對稱軸的對稱點上。
圖3 網(wǎng)絡的反射系數(shù)
3.功率放大器設(shè)計
本設(shè)計主要應用為VHF波段175-200MHz DAB發(fā)射系統(tǒng),使用三菱公司的MOSFET晶體管RD15HVF1作為放大芯片,該芯片主要應用為VHF/UHF波段射頻功率放大器。電路主要由功放芯片、偏置電路和匹配電路組成。設(shè)計指標為VSWR<2.0,增益>10dB,最大輸出功率>30dBm。
3.1 偏置電路設(shè)計
3.2 匹配電路設(shè)計
芯片數(shù)據(jù)手冊給出的175MHZ時的輸入阻抗:2.34-j8.01(ohm),和輸出阻抗:3.06+ j0.74(ohm)。使用安捷倫公司ADS仿真軟件中的史密斯工具設(shè)計匹配電路,得到匹配電路和史密斯圓圖軌跡,如圖4和圖5所示。
圖4 輸入端的匹配電路和圓圖
圖5 輸出端的匹配電路和圓圖
圖6 最終的設(shè)計電路
3.3 實際電路與測試結(jié)果
根據(jù)仿真結(jié)果,對實際電路進行反復調(diào)試,得到最終的實際電路如圖6所示。
分別對的輸入和輸出端的電壓駐波比進行測試,得到:
圖7 輸入端(150~250MHz)
圖8 輸出端(150~250MHz)
實際測試該功放系統(tǒng)在180~200MHz時的增益為+10~+13dBm,最大輸出功率+35dBm,符合設(shè)計要求。
4.結(jié)束語
輸入和輸出匹配是射頻功率放大器設(shè)計中重要的一步,利用史密斯圓圖可以方便快捷的得到理想的匹配電路,但是因為電路板材,走線不同,元器件的誤差以及分布參數(shù)等的因素影響,實際的電路需要我們經(jīng)過反復的調(diào)整才能得到需要的結(jié)果,但是從最終電路以及測試結(jié)果可以看出仿真結(jié)果基本能夠正確的指導設(shè)計,并且最終得到滿足要求的性能指標。
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作者簡介:朱鵬偉(1988—),男,河南安陽人,重慶郵電大學碩士研究生,研究方向:電路與系統(tǒng)。