基于ADS仿真的射频功放设计

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1、第３９卷第６期河南师范大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．６２０１１年１１月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｅｎａｎＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｎｏｖ．２０１１文章编号：１０００－２３６７（２０１１）０６－００４８－０３基于ＡＤＳ仿真的射频功放设计高金辉，苏明坤，李迎迎（河南师范大学物理与信息工程学院，河南新乡４５３００７）摘要：射频功率放大器是移动通信基站中的关键部件，其性能指标优劣直接影响通信质量好坏．本文基于晶体管ＭＲＦ７Ｓ２１１５０ＨＲ３，在对晶体管绝对稳定性分析的基础上，采用多谐波双向牵引仿真技术得到了最佳基波源、负载阻

2、抗，并进行匹配电路及偏置电路设计，最后得到了应用于ＷＣＤＭＡ基站的高效率射频功率放大器．ＡＤＳ中的仿真结果表明，功放设计完全满足设计指标要求．故这种方法对从事射频功放的设计者来说具有重要参考价值．关键词：多谐波双向牵引；ＡＤＳ；射频功率放大器；功率附加效率；输出功率中图分类号：ＴＮ７２２文献标志码：Ａ采用基站功率放大器使ＣＤＭＡ覆盖范围扩大，一方面可以使规划建设的基站数目减少；另一方面在已建好的基站上使用时，使现有网络的覆盖质量提高，覆盖盲区减少，节省了大量的基站建设费用．射频功率放［１］大器是移动通信基站中的关键部件，其性能指标的优劣直接影响通信质量的好坏．因此应用于基

3、站的功率放大器的研究是很重要的．本文基于ＭＲＦ７Ｓ２１１５０ＨＲ３，综合考虑了谐波分量以及源阻抗、负载阻抗对输出功率、附加效率的影［２－３］响，通过多谐波双向牵引仿真技术，得到功放的输入、输出匹配网络；并利用ＡＤＳ对整体电路进行谐波平衡（ＨＢ）仿真．最后得到了适用于ＷＣＤＭＡ基站的高效率射频功率放大器．１功率放大器设计与仿真ＬＤＭＯＳ功率管具有增益高、输出功率大以及良好的线性度、较高的性价比和高可靠性等特点，非常适［４－６］合用于设计基站功放，因此我们选择飞思卡尔（Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ）公司生产的专门用于基站功放的ＬＤＭＯＳ功率管ＭＲＦ７Ｓ２１１５０ＨＲ３．ＡＤＳ软件是进行

4、射频功放设计常用的软件，利用ＡＤＳ软件不仅可对电路进行负载阻抗、源阻抗牵引，而且可在不同的谐波频率上进行负载牵引．本设计正是基于ＡＤＳ进行功放设计的．１．１设计指标本文以实际项目需要的功率放大器为实例，集中讨论了功放设计的过程．设计指标为：①工作频率为２．１１～２．１７ＧＨｚ；②输出功率达到４７ｄＢｍ；③转换功率增益大于１７ｄＢ；④功率附加效率ＰＡＥ大于４２％；二次谐波ＨＭＤ２小于－５１ｄＢｃ；三次谐波ＨＭＤ３小于－５３ｄＢｃ．１．２稳定性分析稳定性是设计任何放大电路都必须考虑的问题．射频放大电路的稳定性是指放大电路抑制环境因素变化，维持正常放大特性的能力．如果放大器不稳

5、定就可能发生振荡，则需要采用在输入或者输出端串联或并联或负反馈的方法使晶体管稳定．放大器稳定性取决于晶体管的Ｓ参数和置端条件．稳定性的判据有四种，本文采用两参数判断准则（Ｋ－Ｂ参数）．２２２１－｜Ｓ１１｜－｜Ｓ２２｜＋｜Δ｜Ｋ＝，（１）２｜Ｓ１２Ｓ２１｜收稿日期：２０１１－０１－１０基金项目：河南省教育厅自然科学基金（２００９Ａ５１０００６）作者简介：高金辉（１９６２－），男，河南方城人，河南师范大学教授，研究方向：射频系统电路设计．第６期高金辉等：基于ＡＤＳ仿真的射频功放设计４９２２２Ｂ１＝１＋｜Ｓ１１｜－｜Ｓ２２｜－｜Δ｜．（２）仅当Ｋ＞１且Ｂ１＞０时，放大器为无条件

6、稳定．本次设计中，ＭＲＦ７Ｓ２１１５０ＨＲ３的稳定性曲线如图１所示：从图１可以看出：稳定因子ｋ大于１，Ｂ１大于０．因此功放在设计频率范围内是无条件稳定的，不会产生振荡．１．３匹配网络设计为了使ＭＲＦ７Ｓ２１１５０ＨＲ３的功率固态器件在最佳状态下工作，并充分发挥其潜力，需要进行匹配电路设计，匹配电路对于放大器的驻波比、功率增益、输出功率等性能指标都有着很大影响．在本设计中需要在考虑谐波影响的基础之上取得功率和效率之间的一致，实现有效的优化设计．因此本文采用多谐波双向牵引仿真技术寻找最佳源阻抗、负载阻抗，进行匹配电路设计．多谐波双向牵引的测量变量是基波频率ｆ０或任何谐波频率（

7、主要是２ｆ０或３ｆ０）．基频负载阻抗牵引的仿真原理如图２所示，图中使用了负载端和源端两个调谐器，用来对负载阻抗和源阻抗进行调节．源阻抗和负载阻抗在变量单元ＩｍｐｅｄａｎｃｅＥｑｕａｔｉｏｎ中指定为矩阵形式，谐波阻抗均设为５００Ω，基波源阻抗为１０Ω，基波负载阻抗在ＨＡＲＭＯＮＩＣＢＡＬＡＮＣＥ和ＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳＷＥＥＰ单元中设定扫描，扫描范围在变量单元Ｓｗｅｅｐ－Ｅｑｕａｔｉｏｎ中设定．需要说明的是，要同时达到输出功率和功率附加效率最佳是不可能的．有两种解决方案，一是折中以求平衡；二是突出其中一个，视其为重点指标．本文采用