基于負(fù)載牽引技術(shù)的射頻功率放大器設(shè)計(jì)

來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng)  作者：2014年01月23日 10:59

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[導(dǎo)讀] 射頻功率放大器要輸出一定的功率給負(fù)載，利用負(fù)載牽引技術(shù)可以彈性地找到所需功率的負(fù)載點(diǎn)。這里描述了基于負(fù)載牽引技術(shù)的5.2-GHz WLAN 的功率放大器的設(shè)計(jì)方法， 采用CMOS 工藝設(shè)計(jì)了放大電路，接著對(duì)該放大電路進(jìn)行負(fù)載牽引，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)輸進(jìn)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，最后使用ADS軟件進(jìn)行整體仿真，得到了滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求的功率放大器。

關(guān)鍵詞：射頻功率放大器匹配電路

　　功率放大器處于通訊系統(tǒng)中信號(hào)發(fā)射機(jī)的最末端，用來(lái)放大信號(hào)，與小信號(hào)放大器不同， 它要輸出一定的功率給負(fù)載。效率是功率放大器的一個(gè)基本指標(biāo)，就非恒包絡(luò)調(diào)制方式而言， 包絡(luò)中攜帶有用信息，因此又需要功率放大用具有一定的線性度。射頻功率放大器工作在大 信號(hào)狀態(tài)時(shí)，會(huì)由于晶體管的非線性而表現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性特性，從而使得信號(hào)失真，所以小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)方法并不適合射頻功率放大器的設(shè)計(jì)。小信號(hào)分析法的發(fā)展主要是基于線性控制理論，線性控制理論發(fā)展了一系列行之有效的設(shè)計(jì)理論，這就使得小信號(hào)放大器 的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單可靠。而大信號(hào)，則是非線性控制要關(guān)注的題目，但非線性控制理論中數(shù)理 運(yùn)算十分復(fù)雜，沒(méi)有線性控制理論那樣簡(jiǎn)單直觀。

　　利用負(fù)載牽引技術(shù)，可以在沒(méi)有大信號(hào)S參數(shù)的情況下，不斷變化負(fù)載阻抗，找到射頻功率放大器輸出功率最大（或效率最高）時(shí)的那個(gè)負(fù)載阻抗，即所謂的最佳阻抗。文中描述了5.2-GHz WLAN 的射頻功放的設(shè)計(jì)方法，借助高頻電路設(shè)計(jì)輔助軟件ADS 進(jìn)行負(fù)載牽引， 然后設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，接著設(shè)計(jì)輸進(jìn)匹配網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。最后給出了增益、 輸出功率、附加效率等參數(shù)。

　　1 放大電路的設(shè)計(jì)

　　本次電路設(shè)計(jì)采用臺(tái)積電TSMC 0.18umCMOS 工藝，放大電路如圖1 所示，電路結(jié)構(gòu)為差分形式，采取兩級(jí)放大，分別為驅(qū)動(dòng)級(jí)和輸出級(jí)。驅(qū)動(dòng)級(jí)采用差分的共源共柵（Cascode） 結(jié)構(gòu)，可以提供適當(dāng)?shù)碾妷涸鲆妫惠敵黾?jí)也是差分的共源共柵結(jié)構(gòu)，在提供一定的電壓增益 的同時(shí)，還提供輸出功率，這種結(jié)構(gòu)可以進(jìn)步功放輸出電壓的擺幅，從而降低對(duì)晶體管最大 電流能力的要求，進(jìn)步功放的效率。兩級(jí)之間采用的耦合電容Cp 和Cn，在進(jìn)步隔離度的 同時(shí)起到級(jí)間阻抗匹配的作用。電感L1p、L2p、L1n、L2n 用作負(fù)載，電感Lnp 用來(lái)抵消源 極寄生電容對(duì)功放效率的影響，其中L1p、L1n 和Lnp 采用工藝庫(kù)里的片上螺旋電感來(lái)實(shí)現(xiàn)， 而L2p 和L2n 采用高Q值的鍵合線電感實(shí)現(xiàn)，這樣可以有效進(jìn)步功放的增益。單路輸進(jìn)信號(hào)經(jīng)輸進(jìn)匹配網(wǎng)絡(luò)由巴倫轉(zhuǎn)換成兩路信號(hào)Vinp 和Vinn，放大后的兩路信號(hào)Voutp 和Voutn 經(jīng)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)由巴倫轉(zhuǎn)換成一路信號(hào)送至天線。

　　2 負(fù)載牽引技術(shù)的應(yīng)用

　　負(fù)載牽引技術(shù)可以由實(shí)際丈量系統(tǒng)［2］［3］和高頻電路設(shè)計(jì)輔助軟件［4］］［5］兩種方式實(shí)現(xiàn)，但 是搭建一個(gè)負(fù)載牽引丈量系統(tǒng)的本錢相當(dāng)之大，而且不易實(shí)現(xiàn)，本文采用ADS 軟件對(duì)上面 所設(shè)計(jì)的功率放大器使用負(fù)載牽引（Loadpull）技術(shù)有規(guī)則的搜尋史密斯（Smith）圓圖上的 每個(gè)區(qū)域，確定最佳負(fù)載的阻抗值；然后設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，將實(shí)際負(fù)載阻抗（通常為50Ω） 變換到最佳負(fù)載阻抗。負(fù)載牽引技術(shù)應(yīng)用于功率放大器的設(shè)計(jì)如圖2 所示，中間的電路模塊 是在圖1 放大電路的基礎(chǔ)上引進(jìn)了巴倫從而使得信號(hào)單端輸進(jìn)單端輸出。

　　負(fù)載牽引結(jié)果如圖3 所示，同一條等高線代表的是相同的輸出功率，越趨向于中心點(diǎn)，輸出功率越大，最中心點(diǎn)為最大輸出功率，這是一個(gè)不斷收斂的過(guò)程。等高線輸出功率公式如下：

　　上式中，Pdelmax 為最大輸出功率，contour［6］是軟件中自帶的等高線函數(shù)，由此公式可以得到以Pdelmax 為中心、Pdel_step 為步進(jìn)的等高線，如圖3 所示。

　　對(duì)應(yīng)于最大輸出功率的負(fù)載即為最佳負(fù)載，由圖3 可知，此次設(shè)計(jì)的功率放大器的最佳負(fù)載阻抗為（39.142+j9.092）Ω

　　接下來(lái)設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)使實(shí)際負(fù)載與最佳負(fù)載形成共軛匹配，從而使輸出功率最大化，使用Smith 圓圖做匹配。

　　3 整體仿真

　　輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)做完后再做輸進(jìn)匹配網(wǎng)絡(luò)，將輸進(jìn)阻抗匹配到端口阻抗（50Ω），輸進(jìn)匹配網(wǎng)絡(luò)的主要目的是要提供夠高的增益，這與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)是為了達(dá)到所要求的輸出功率 不同。S 參數(shù)中S11 表征輸進(jìn)匹配情況，S21 表示增益，仿真結(jié)果如圖4 所示，由此可以看 出輸進(jìn)匹配較好且增益基本符合要求。

　　最后使用增益壓縮仿真，得到輸進(jìn)1dB 壓縮點(diǎn)約為-9dBm，在1dB 壓縮點(diǎn)處的輸出功率以及功率附加效率如圖5 所示，這種結(jié)果滿足指標(biāo)要求。

　　4 總結(jié)

　　本文描述了5.2-GHz WLAN 的射頻功率放大器的設(shè)計(jì)方法，首先設(shè)計(jì)放大電路，接著利用負(fù)載牽引技術(shù)找到能使輸出功率最大化的最佳輸出阻抗，以此為依據(jù)利用ADS 軟件中的Smith 圓圖設(shè)計(jì)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，然后再做輸進(jìn)匹配，輸進(jìn)匹配目的是提供夠高的增益，最后進(jìn)行整體優(yōu)化、仿真，得到增益、輸出功率以及功率附加效率（PAE）等性能參數(shù)，能夠滿足系統(tǒng)要求。

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