【文章內(nèi)容簡介】 ? ?22221122111ssSaLaa SS SPPG ?????? ???? PLa是放大器的輸出資用功率，即在放大器的匹配負載上能夠獲得的功率，也是放大器在信源阻抗下的最大輸出功率值。 Pn是信源的資用功率，即信源的最大輸出功率。 是源反射系數(shù)?？梢娰Y用功率增益只與晶體管 S參數(shù)和信源阻抗有關(guān)，而與輸出端口的匹配程度無關(guān)。應(yīng)用式 (22)便于研究信源阻抗變化對放大器功率增益的影響。 Ga的物理意義是：插入放大器后負載可能得到的最大功率是無放大器時可能得到的最大功率的多少倍。而實際放大器在輸入、輸出端不見得是共扼匹配的。 Ga只是表示放大器功率增益的一種潛力。當(dāng)在輸入端口滿足共扼匹配時， Ga達到最大值。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 共 35 頁 (3) 傳輸功率增益 ? ?? ?? ?? ?221122211222211111LSLsLSaLT SSSSSPPG ??????? ?????? 上式體現(xiàn) 了正向傳輸、輸入匹配程度、輸出匹配程度以及反饋等因素對增 益 GT所起的作用。 GT的物理意義為：插入放大器后負載實際得到的功率是無放大器時可能得 到的最大功率的多少倍。 三種功率增益有如下關(guān)系： aaLaLaLaininLaL GMPPPPMGPPPPPPG ????????? 21? 式中的 M1， M2分別為輸入端和輸出端的失配系數(shù)?？勺C明： ? ?? ?2221 111sinsinM ??? ????? ? ?? ?2222 111outLoutLM???????? 因此，三個功率增益中若已知其中一個，既可知另外兩個。一般情況下， M11， M2l，表示兩個端口都偏離共扼匹配， 所以 GTG GTGa 當(dāng)共扼匹配時， M1=M2=1，此時 m a xm a xm a x aT GGG ?? 由以上分析可知 G值只與輸出端匹配程度有關(guān)，而與輸入端匹配程度無關(guān)。 Ga只與輸入端有關(guān)而與輸出端無關(guān)。只有 GT同時與輸入、輸出都有關(guān)。所以用 GT表示增益比較全面，因此以 GT來衡量放大器。 微波晶體管放大器的穩(wěn)定性 上節(jié)求得的放大器增益不一定都是可實現(xiàn)的，因為 S12 意味著放大器有內(nèi)反饋，可能造成放大器不穩(wěn)定。可以從放大器輸入端口或輸出端口是否等效有負阻來進行判斷。如果放大器存在負阻 ，則有可能 (并非一定 )產(chǎn)生自激震蕩。假設(shè)放大器輸入阻抗 ininin jXRZ ?? 則輸入端反射系數(shù)的模為 ? ?? ?22022000ininininininin XZR XZRZZ ZZ ?? ??????? 可見當(dāng) R in 0時， 1??in 。輸出端口類似。 因此，當(dāng)我們用 S參數(shù)法來分析放大器時，就從其輸入端口或輸出端口反射系數(shù)的模是否大于 l來判斷晶體管放大器的穩(wěn)定性。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 共 35 頁 4 使用 ADS 軟件進行微波功率放大器的設(shè)計與仿真 本設(shè)計使用的是 ADS2021版本采用了負載牽引方法，這個方法是決定最佳負載 阻抗最精準(zhǔn)的方法，用來模擬及測量功率管在大信號時的特性。功率放大器在大信號工作時，功率管的最佳負載阻抗會隨著輸入信號功率的增加而改變。因此，必須在史密斯圖上，針對給定一個輸入功率值時繪制出在不同負載阻抗是的等輸出功率曲線，幫助找出最大輸出功率時的最佳負載阻抗。 微波功率放大器的設(shè)計步驟及參數(shù) 為了完成功放特性仿真，設(shè)計通常需要以下幾個步驟： (1)選擇一個合適的功放管模型，下載下來并將其導(dǎo)入 ADS的模型庫中。 (2)根據(jù)放大器的要求和晶體管特性確定靜態(tài)工作點。 (3)進行功率放大器的電路設(shè)計，包括阻 抗匹配、設(shè)置偏置電路和直流扼流等。 (4)確定仿真類型 (S參數(shù)仿真、諧波平衡仿真、直流仿真、交流仿真等 )，仿真參數(shù)，以及ADS環(huán)境下所需的一些變量。 (5)對所涉及電路進行仿真，分析仿真曲線并得出結(jié)論。 (6)優(yōu)化功放電路結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)。 為了明確設(shè)計目的，在此列出了一些設(shè)計需要達到的參數(shù)： 頻率 : 945MHz 輸出功率： 45W 輸入功率： 1W 效率 ： 40% 電源電壓： 28V 根據(jù)上述設(shè)計要求，本設(shè)計選定飛思卡爾公司的 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)功率管 MRF9045N。功率管 MRF9045N的模型庫可以再飛思卡爾公司的官方網(wǎng)站上下載。 直流掃描 首先安裝 DesignKit，然后新建工程“ PowerAmplifier_prj”，調(diào)用 ADS內(nèi)部所帶的直流掃描模板對 MRF9045N進行直流掃描 插入掃描模板 (1)執(zhí)行菜單命令【 Insert】，選擇【 Template】彈出“ Insert Template”對話框，如圖 41所示。 (2)選擇“ FET_curve_tracer”模板，單擊【 OK】。 (3)單擊鼠標(biāo)左鍵將添加的 FET直流掃描模板放入原理圖中。模板如圖 62所示。 圖 41 選擇直流掃描模板 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 共 35 頁 42 添加 FET直流掃描模板后的原理圖 放入飛思卡爾元件模型 (1)選擇元件面板列表中的“ Freescale RF High Power Model Library”選項，將面板中的元件以及飛思卡爾的控件放入原理圖中，并用導(dǎo)線連接起來 。 (2)雙擊放入的元件模型調(diào)出屬性對話 框，在“ Parameter Entry Mode”的下拉列表中，找到 MRF9045N并點擊【 OK】選中。 掃描參數(shù)的設(shè)置 (1)雙擊參數(shù)掃描控件“ RARAMETER SWEEP”，修改參數(shù)如圖 43所示。 (2)雙擊控件“ DC”，彈出“ DC Operating Point Simulation”對話框，修改參數(shù)，如圖 44所示。 (3)直流掃描電路模型設(shè)置完成，完成后的原理圖如 46所示。 (4)保存為“ dc_sweep”。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 共 35 頁 圖 43 VGS掃描參數(shù)設(shè)置 圖 44 VDS掃描參數(shù)設(shè)置 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 共 35 頁 圖 45 設(shè)置好的電路原理圖 仿真并顯示數(shù)據(jù) (1)按【 F7】鍵開始仿真 . (2)仿真完成后，會自動彈出數(shù)據(jù)顯示窗口，其中就有直流掃描的 IV數(shù)據(jù)表。執(zhí)行菜單命令【 Marker】選擇【 New】，把一個三角標(biāo)志放在圖上，可以控制它的位置，如圖 46所示。 圖 46 IV 曲線圖表 (3)因為是 AB類功放，所以選取 VGS =，靜態(tài)工作電流 IDS =717mA作為工作點。 (4)存儲數(shù)據(jù)窗口，默認名稱為“ dc_sweep” ,擴展名為“ .dds”，該文件會存儲在項目文件夾的目錄中，而數(shù)據(jù)文件，即所有的 .ds文件和數(shù)據(jù)設(shè)定會存儲在 data子目錄中。 偏置及穩(wěn)定性分析 原理圖的建立 (1)單擊【 File】選擇【 New Design】，新建原理圖文件，命名為“ BiasStability” .圖 47所示 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 12 頁 共 35 頁 (2)插入 S參數(shù)掃描模板。執(zhí)行菜單【 Insert】選擇【 Template】，點擊“ S_Params”，如圖 48所示。 圖 47 創(chuàng)建新的原理圖 圖 48 選擇 S參數(shù)掃描模板 (3)調(diào)出 MRF9045N以及飛思卡爾識別空間，從“ LumperComponents”元件面板中調(diào)出扼流電感 DC_Feed和隔直電容 DC_Block，從“ SourcesFreq Domain”元件模板中調(diào)出直流電壓源 V_DC，加入 S參數(shù)掃描控制器和 Term端口，用導(dǎo)線連接好。從“ SimulationS_Param”元件面板中跳出測量穩(wěn)定引資的控件“ Stabfct” 。雙擊 S參數(shù)掃描控件，完成掃描參數(shù)設(shè)置，起始頻率為 1MHz，終止頻率為 3GHz,步長為 1MHz，陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 共 35 頁 設(shè)置完后的原 理圖如 49所示。 圖 49 穩(wěn)定性掃描原理圖 穩(wěn)定性分析 仿真完成后在數(shù)據(jù)顯示窗口中點鼠標(biāo)右鍵，選擇插入一個坐標(biāo)圖，然后彈出“ Plot Tracesamp。 Attributes”對話框，選擇要顯示的 StabFact1，點擊【 Add】然后點【 OK】。此時會出現(xiàn)顯示不同頻率下穩(wěn)定因子的坐標(biāo)圖，如圖 410。 圖 410 仿真結(jié)果 從圖中可以看出，在 945MHz時，穩(wěn)定因子 K1，功率管在整個帶內(nèi)部穩(wěn)定。因此，必須添加 穩(wěn)定性措施。 穩(wěn)定措施 (1)單擊工具欄中的 ，彈出“ Component Library/Schematic”對話框，選擇“ RF Passive SMT Library”的“ SMT Resistor”，然后選擇“ sr_avx_CR_10_K_19960802” 電阻，將其添加到原理圖上，如圖 411所示， 再選擇“ Capacitor”將電容“ sc_mrt_MC_GRM40C0G050_J_19960828”電容添加到原理圖中。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 共 35 頁 圖 411 選擇電阻電容 (2)連接電路如圖 412，雙擊電阻電容，在彈出的參數(shù)設(shè)置對話框中，將電阻值該為 15 Ohm，將電容改為 33pF。 (3)重新仿真，結(jié)果如圖 413所示，可以看出， K1，說明功率管在需要工作的點已經(jīng)穩(wěn)定 圖 412 添加穩(wěn)定措施后的原理圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 共 35 頁 圖 413 改 善穩(wěn)定性后的曲 加入偏置電路 加入偏置電路后的原理圖如圖 414 圖 414 加了偏置后的原理圖 仿真后可以看到低端穩(wěn)定性已經(jīng)大為改善，功率管在高端也很穩(wěn)定。 負載牽引設(shè)計 LoadPull 插入 LoadPull模板 (1)在原理圖窗口執(zhí)行菜單命令【 DesignGuide】中的【 Amplifier】，彈出“ Amplifer”對話框，如圖 415所示。選擇“ LoadPullPAE,Output Power Contours”模板。 (2)在新建 的 HB1Tone_LoadPull原理圖中刪除原有的砷化鎵 FET模型，替換為加入偏置后的 MRF9045N的電路，并按圖 416所示進行修改 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 共 35 頁 圖 415 LoadPull 模板選擇 圖 416 修改后的原理圖 確定 LoadPull的范圍 (1)對 416的圖進行仿真，彈出數(shù)據(jù)顯示窗口，如圖 417 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 共 35 頁 圖 417 仿真結(jié)果 從圖中可以看到，所需要的最大功率點和最佳效率點都不在計算范圍內(nèi)。因為功率圓和效率圓心均未顯示出來，所以要改變計算的范圍。 (2)回到 原理里圖中，改變 VA計算范圍的設(shè)置，如圖 418所示 (3)確定半徑和圓心。執(zhí)行菜單命令【 DesignGuide】中的【 Loadpull】，然后選擇Reflection Coefficient Utility，此時會彈出一個新的數(shù)據(jù)顯示窗口，如圖 419所示 圖 418 LoadPull 圓公式 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 18 頁 共 35 頁 圖 419 確定 LoadPull圓 依照最開始的仿真圖，確定一個大概的圓心與半徑的范圍，經(jīng)過調(diào)整使功率圓和效率圓的圓心均能顯示，最后選擇 s11_center=+j*， s11_rho=。為了使計算更精確，設(shè)置點數(shù) pts=500。 確定輸出的負載阻抗 (1)LoadPull掃描參數(shù)確定后，再重新仿真，結(jié)果如圖 420所示。 (2)用鼠標(biāo)左鍵雙擊功率圓（藍色）和效率圓（紅色）可以改變線條粗細，將 m1和 m2移到圓心，即分別為最高效率和最大功率處，再分別雙擊 m m2的標(biāo)簽，彈出“ Edit Marker Properties”對話框，將 Z。改為 50。