一種基于ADS仿真的射頻放大器設(shè)計方法*

牛吉凌，康弘俊

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041)

一種基于ADS仿真的射頻放大器設(shè)計方法*

牛吉凌，康弘俊

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041)

針對當(dāng)前無線通信系統(tǒng)研發(fā)周期縮短、研發(fā)費(fèi)用節(jié)省的需要，EDA設(shè)計工具越來越被電子技術(shù)研究的各領(lǐng)域所采用。以EDA中的ADS軟件為設(shè)計工具，通過具體設(shè)計步驟的展示，描述了一種基于ADS仿真的射頻放大器設(shè)計方法，具有積極的指導(dǎo)意義。在設(shè)計過程中，著重注意增益、三階交調(diào)、穩(wěn)定性等參數(shù)。最后列舉了實(shí)例，說明了該設(shè)計方法的可行性。

功率放大器;ADS;EDA設(shè)計

0 引 言

無線通信正在經(jīng)歷快速發(fā)展的過程,射頻系統(tǒng)作為無線通信的重要組成部分，其設(shè)計的關(guān)鍵性不言而喻。射頻電路的設(shè)計需要考慮的參數(shù)有很多，例如分布參數(shù)、電磁兼容、器件之間的相互影響等，所以如何設(shè)計好一個性能優(yōu)越、功能全面的射頻系統(tǒng)，成為了射頻工程師面臨的一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

功率放大器(簡稱功放)是射頻系統(tǒng)的核心組成部分，對它設(shè)計的好壞直接影響到射頻系統(tǒng)、甚至整機(jī)的性能優(yōu)劣[1]。如何才能對各類功放進(jìn)行良好的設(shè)計，根據(jù)實(shí)際情況更改條件進(jìn)行優(yōu)化，縮短設(shè)計周期，這就可以通過依托計算機(jī)輔助軟件來實(shí)現(xiàn)。

本文將采用ADS(Advanced Design System)輔助設(shè)計軟件，對功率放大器進(jìn)行仿真設(shè)計，旨在提供一種利用ADS設(shè)計軟件對功放進(jìn)行設(shè)計的步驟和方法，從而優(yōu)化和加速設(shè)計功放的周期。同時一些功放器件廠家也提供了支持EDA工具軟件的功放仿真模型，這對使用計算機(jī)輔助軟件進(jìn)行設(shè)計，提供了有力支持。

ADS是美國Agilent公司推出的電路和系統(tǒng)分析軟件，可實(shí)現(xiàn)包括時域和頻域、數(shù)字和模擬等多種仿真，范圍涵蓋小至器件，大到系統(tǒng)級的仿真設(shè)計。其大大提高了設(shè)計效率，是非常優(yōu)秀的微波電路和系統(tǒng)信號鏈路的設(shè)計工具，也是全球業(yè)界流行的EDA設(shè)計工具。

1 射頻放大器的重要設(shè)計參數(shù)

功率放大器的優(yōu)劣，主要根據(jù)其重要指標(biāo)參數(shù)的好壞來判定。所以在使用ADS軟件來設(shè)計、仿真功放時，應(yīng)當(dāng)注意如下幾個重要設(shè)計參數(shù)。

1.1 增益

功率放大器的增益定義為放大器的輸出功率與輸入功率的比值，單位為dB，其表達(dá)式為：

1.2 增益平坦度

功率放大器的增益平坦度是指在工作頻率的范圍內(nèi)，功率放大器增益的最大值Gmax和最小值Gmin的差值，可以表示為：

1.3 三階交調(diào)

三階交調(diào)信號的幅度與基波信號的幅度之比。一般情況下用分貝表示，如下式表示:

上式中的A0為有用信號(基波)的幅度，AIM3為三階交調(diào)分量的幅度。圖1可以直觀的表示出三階交調(diào)的意義。

圖1 射頻放大器的三階交調(diào)

1.4 穩(wěn)定性

射頻放大器的穩(wěn)定性通常用穩(wěn)定系數(shù)K來表示，如下式所示：

其中S11、S12、S21、S22為射頻放大器的S參數(shù)。當(dāng)K<1時，射頻放大器處于有條件穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)K>1時，射頻放大器處于絕對穩(wěn)定狀態(tài)。

2 如何使用ADS及設(shè)計步驟

本節(jié)將展示以ADS為工具，設(shè)計一個功率放大器的具體步驟。選取freescale(飛思卡爾)公司的MW6S010N功放芯片，其資料給出的典型應(yīng)用電路為900 MHz頻率和450 MHz頻率。在本節(jié)具體展示使用ADS設(shè)計放大器的具體步驟時，將進(jìn)行頻率擴(kuò)展[2-4]，使其工作頻率為825～835 MHz和870～880 MHz。

第一步，將廠家提供的功放管模型導(dǎo)入ADS中。功放管模型可以從廠家的官網(wǎng)上進(jìn)行下載，如圖2所示。

圖2 功放管模型在ADS中

第二步，確定功放管的靜態(tài)工作點(diǎn)。一般廠家提供的功放管資料中，只給出了漏極工作電壓和電流。但是通過仿真，就可以確定初步的柵極電壓值。圖6是功放管的靜態(tài)電流仿真電路，通過掃描柵極電壓VGS，可以得到對應(yīng)的電流值。從仿真結(jié)果中可以看到：當(dāng)柵極電壓為2.69 V時，漏極工作電流為125 mA，與廠家資料中的漏極電流值相當(dāng)。

圖3 靜態(tài)電流仿真電路及結(jié)果

第三步，以器件資料上的典型電路為參考拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計放大器的初始匹配電路，如圖4所示。在825～835 MHz和870～880 MHz的頻段內(nèi)，如果采用集總元件進(jìn)行匹配，仿真可以得到很好的結(jié)果，但是在實(shí)際的電路中考慮到高頻特性，集總元件很難保證電路的實(shí)際特性。所以本節(jié)考慮到實(shí)際中的情況，最終選擇了微帶線匹配方式。

圖4 放大器的匹配電路原理

左側(cè)是輸入電路，包括輸入匹配和柵極供電。其中柵極電壓的初始值是2.69 V，這在上一步中已經(jīng)得到。

右側(cè)是輸出電路，包括輸出匹配和漏極供電。

在這個初始電路上，設(shè)計師可以靈活、快捷的進(jìn)行“調(diào)試”，包括增加、刪減匹配電路，調(diào)整匹配器件的參數(shù)值，改變柵極電壓等內(nèi)容。同時也可以設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，使用ADS設(shè)計軟件的優(yōu)化功能，來完成電路的“調(diào)試”[5-7],得到滿足設(shè)計目標(biāo)的功率放大器。

圖5 優(yōu)化目標(biāo)控件

圖5為優(yōu)化目標(biāo)控件。通過控件中的參數(shù)值來設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)。Expr表示需要進(jìn)行優(yōu)化的參數(shù)，例如輸入S(2,1)，就表示對放大器的增益進(jìn)行優(yōu)化。SimInstanceName表示仿真的類型，例如SP表示S參數(shù)仿真。Min和Max表示需要將S(2,1)優(yōu)化到的范圍。Weight表示在仿真中該優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重，該值越大，優(yōu)先級就越高。

第四步，完成上一步匹配電路的“調(diào)試”后，就可以進(jìn)行性能指標(biāo)的仿真了。穩(wěn)定性、輸出端口駐波值、增益平坦度、諧波抑制度和線性度的結(jié)果如下。

圖6是MW6S010N放大器的穩(wěn)定系數(shù)和輸出端口的仿真結(jié)果?？梢钥吹椒€(wěn)定系數(shù)K在工作頻率范圍內(nèi)大于1，電路不會出現(xiàn)自激等不穩(wěn)定現(xiàn)象。輸出端口駐波比小于1.37，表明被反射的能量小。

(a)穩(wěn)定系數(shù)仿真結(jié)果

(b)輸出端口駐波

圖7是放大器在工作頻帶內(nèi)的增益特性?？梢钥吹剑麄€放大器的增益在17 dB到18 dB之間，即增益平坦度為±0.5 dB，性能良好。

圖7 增益特性仿真結(jié)果

圖8是放大器諧波抑制度的仿真結(jié)果。輸出功率為40 dBm。從仿真結(jié)果可以看到，在825～835 MHz和870～880 MHz頻段的諧波抑制度分別為24 dBc和26 dBc，性能較好，表明放大器在工作時對高頻的輻射影響較小。

(a)830 MHz信號的諧波情況

(b)875 MHz信號的諧波情況

線性度指標(biāo)是衡量放大器優(yōu)劣的一項(xiàng)重要指標(biāo)，一般都應(yīng)當(dāng)在28 dBc以上。從圖9可以看到，在825～835 MHz和870～880 MHz頻段的線性度分別為35 dBc和43 dBc，性能良好。

(a)825 MHz～835 MHz的三階交調(diào)

(b)870 MHz～880 MHz的三階交調(diào)

上述幾位使用ADS進(jìn)行功率放大器的設(shè)計步驟。ADS軟件還提供了進(jìn)一步設(shè)計開發(fā)的工具，即Momentum仿真，通過菜單命令【Layout】→【Generate/Update Layout】即可進(jìn)入[8]。

3 實(shí) 例

為說明該方法的可行性，將列舉下面的例子。該放大器采用了Freescale公司的MRF2240功放管。仿真原理如圖10所示。

實(shí)測與仿真的結(jié)果對比如表1所示(功率輸出同為5瓦的情況下進(jìn)行比較)。

表1 結(jié)果對比

可以看出基于ADS仿真的射頻功率放大器設(shè)計方法，具有可行性。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合射頻功率放大器的性能指標(biāo)，使用ADS的強(qiáng)大功能，向大家展示了一種使用ADS進(jìn)行功率放大器設(shè)計的方法。設(shè)計過程中，對穩(wěn)定性、增益、線性度等指標(biāo)進(jìn)行了分析?？梢钥闯?，在前期采用ADS工具進(jìn)行電路設(shè)計可以掌握電路的性能，優(yōu)化電路設(shè)計，同時達(dá)到加速產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程、節(jié)省研發(fā)費(fèi)用的目的，這在行業(yè)中已經(jīng)成為一種常用的方法。需要注意的是，功率放大器的研發(fā)還包括后期實(shí)物的調(diào)試，在整個產(chǎn)品開發(fā)周期中須著重注意以下幾點(diǎn)：

1)匹配電路的設(shè)計。合適的匹配電路可以提升放大器的性能。

2)放大器的穩(wěn)定性，確保無自激現(xiàn)象。

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術(shù)語百科Technical Terms

移動目標(biāo)防御

移動目標(biāo)防御(MTD，Moving Target Defense)，是美國國家科學(xué)技術(shù)委員局(NITRD)在2010年提出的針對網(wǎng)絡(luò)安全的“game-changing”的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。網(wǎng)絡(luò)攻防花費(fèi)的極度不對等是MTD提出的最主要驅(qū)動力，MTD的主要思想是摒棄以構(gòu)建無缺陷防御系統(tǒng)的方式維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全性，而代之以構(gòu)建、評價、部署開發(fā)出一種多樣的或持續(xù)隨時間無規(guī)律變化的機(jī)制來提升對于網(wǎng)絡(luò)攻擊的復(fù)雜度和花費(fèi)，從而限制漏洞的外泄以及攻擊的成功率。MTD技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式在數(shù)據(jù)層面有指令集和地址空間的隨機(jī)性和數(shù)據(jù)隨機(jī)化等；在軟件層面有實(shí)時編譯和軟件多樣化等；在網(wǎng)絡(luò)層面有網(wǎng)絡(luò)和主機(jī)身份隨機(jī)性、地址路由和IP安全協(xié)議可變等；在運(yùn)行平臺層面有虛擬化和負(fù)載遷移技術(shù)等手段。通過上述機(jī)制或策略，MTD致力于在網(wǎng)絡(luò)的各個層面構(gòu)建一種動態(tài)的、異構(gòu)的、不確定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以此極大增加網(wǎng)絡(luò)攻擊者的攻擊難度，從而反轉(zhuǎn)攻防雙方的攻守形勢。

近年來，在MTD技術(shù)的研究過程中取得了很多新進(jìn)展，具體包括對于變形網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自清洗網(wǎng)絡(luò)以及移動目標(biāo)IPv6防御等研究。盡管如此，仍然存在著許多待解決的問題，例如虛擬基礎(chǔ)設(shè)施的安全性；虛擬環(huán)境中的系統(tǒng)移植的安全和彈性技術(shù)；動態(tài)改變和配置系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的手段；動態(tài)防御中安全的量化及潛在威脅的處理；提高安全性能與降低網(wǎng)絡(luò)開銷等。

A Method of Design RF Amplifier with ADS Software Simulation

NIU Ji-ling，KANG Hong-jun

(No.30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041,China)

Aiming at the demand of shortened research period and retrenched research charge in the field of wireless communication system, EDA design tools are increasingly adopted in various research fields of electronic technology. By taking EDA tool-ADS software as the design means and with MW6SD/DN MOSFET,the design of RF power amplifier in the frequency of CDMA base station is accomplished.The design example shows that how the ADS tool is used,and the parameters of gain,intermodulation and stability should be heavily concerned in the design process.Simulation also indicates that the performance parameters of the amplifier circuit is completely satisfiable to the design goal,this is very useful to the design of RF power amplifier.

power amplifier; ADS; EDA design

date:2014-10-20；Revised date：2015-02-25

TN91

A

1002-0802(2015)04-0489-06

牛吉凌(1984—)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)、射頻微波等;

康弘俊(1977—)，男，碩士，高工，主要研究方向?yàn)闊o線通信系統(tǒng)等。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.04.021

2014-10-20；

2015-02-25