摘要：為了使射頻功率放大器輸出一定的功率給負載，采用一種負載牽引和源牽引相結合的方法進行功率放大器的設計。通過ADS軟件對其穩定性、輸入/輸出匹配、輸出功率進行仿真，并給出清晰的設計步驟。最后結合設計方法給出一個中心頻率為2.6GHz、輸出功率為6.5W的功率放大器的設計及優化實例和仿真結果。仿真結果表明，這種方法是可行的，滿足設計的要求，并且對功放的設計有著重要的參考價值。
0 引言
隨著無線通信技術的發展，無線通信設備的設計要求也越來越高，功率放大器作為發射機最重要的部分之一，它的性能好壞直接影響著整個通信系統的性能優劣，因此，無線系統需要設計性能良好的放大器。通過采用EDA工具軟件進行電路設計可以掌握設計電路的性能，進一步優化設計參數，以達到加速產品開發進程的目的。本文仿真設計采用恩智浦半導體的LDMOS晶體管BLF6G27-10G，該晶體管工作頻段在2500～2700 MHz之間，直流28V供電。具有很好的線性度，它采用特殊工藝，具有良好的熱穩定度。同時使用EDA軟件，利用負載牽引和源牽引相結合的方法進行設計，使其輸出功率在頻率為2.6GHz時達到6.5W。
1 功率放大器的相關設計理論
對于任何功率放大器，它必須在工作頻段內是穩定的，同時它應該具有最大的輸出功率和最佳的輸出效率，因為輸出功率決定了通信距離的長短，其效率決定了電池的消耗程度及使用時間。在功放的匹配網絡設計中，需要選擇合適的源阻抗和負載阻抗，而他們的選擇和功率放大器的穩定性、輸出功率、效率以及增益息息相關。
1.1 穩定準則
穩定性是指放大器抑制環境的變化(如信號頻率、穩定、源和負載等變化時)，維持正常工作特性的能力，一個微波管的絕對穩定條件是：
在選定的晶體管的工作條件下若滿足K>1，則此時放大器處在絕對穩定狀態，若不滿足此條件，則需進行穩定性匹配電路的設計。
1.2 功率增益
放大器的功率增益(Power Gain)有幾種不同的定義方式，在這里只介紹工作功率增益，這是設計時較為關心的量，它定義為負載吸收的功率與放大器的輸入功率之比。
1.3 功率附加效率(PAE)
功率附加效率是指射頻輸出功率和輸入功率的差值與供給放大器的直流功率的比值，它既反映了直流功率轉化為射頻功率的能力，又反映了放大射頻功率的能力。
1.4 1dB功率壓縮點(P1dB)
當晶體管的輸入功率達到飽和狀態時，其增益開始下降，或者稱為壓縮。1dB壓縮點為放大器線性增益和實際的非線性增益之差為1dB的點，換句話說，它是放大器增益有1dB壓縮的輸出功率點。
2 設計步驟
2.1 靜態工作點的確定
在晶體管的Datasheet中，給出了漏極(D)的工作電壓和電流，因此，需要通過仿真和測試得到柵極(G)電壓。在ADS中導入BLF6G27-10G的模型庫，建立直流仿真電路，圖1就是通過對晶體管BLF6G27-10G進行直流仿真所獲得的伏安特性曲線。
與BLF6G27-10G的Datasheet給出數據相比，本例所仿真出來的靜態工作點和Datasheet給出數據較接近，并且得到了柵極電壓(VGS=1.8V)，因此這樣晶體管的靜態工作點就確定了。
2.2 穩定性分析和偏置電路
要使晶體管可靠的工作，必須使晶體管在工作的頻段內穩定。這一點對于射頻功放是非常重要的，因為它可能在某些工作頻率和終端條件下有產生振蕩的傾向。因此要對功率管BLF6G27-10G在ADS的環境中進行穩定性分析，在ADS元件面板中調出扼流電感DC_Feed和隔直電容DC_Block，其中DC_Feed阻止高頻信號通過，而DC_Block則是阻止直流信號通過。建立穩定性分析的原理圖如圖2所示，仿真結果如圖3所示。
由仿真結果圖可得在低頻段功率管處于不穩定狀態，即滿足K<1，因此必須添加穩定性措施，穩定措施有很多種，在本設計中，選用并聯的電阻和電容串接在輸入端口，此方法容易實現，而且穩定效果很好。同時參考BLF6G27-10G的Datasheet，進行偏置電路設計，最后所得電路圖如圖4所示，仿真結果如圖5所示。由圖5可得，在加入穩定措施和偏置電路后。功率管在很大的頻率范圍內都處于絕對穩定(K>1)，這樣就可以進行下一步設計了。
2.3 輸入/輸出匹配設計
確定靜態工作點和穩定電路后，需要對晶體管的輸入和輸出進行匹配設計，在本例功率放大器的設計中，出發點是輸出大功率，一般是讓晶體管工作在其額定輸出狀態，為了使器件工作在最佳狀態，采用負載牽引和源牽引相結合的方法來設計輸入/輸出匹配網絡。通過在ADS中進行負載牽引和源牽引仿真找出在輸出最大功率時的最佳阻抗。
首先，進行負載牽引仿真找出最佳負載阻抗來設計輸出匹配電路，負載牽引仿真原理圖如圖6所示，仿真結果如圖7所示。
由圖7可以得到在輸出功率最大時，負載的最佳阻抗為3.004-j1.849，根據該阻抗值，采用分布參數與集總參數混合匹配的方法來設計輸出匹配電路。
然后，將設計完成的輸出匹配網絡加入到功率放大電路中進行源牽引仿真，源牽引仿真的原理圖與負載牽引圖相似，源牽引仿真結果如圖8所示。
從源牽引仿真結果得到，在最大功率輸出時源阻抗為11.503-j13.802；根據該阻抗值，采用與輸出匹配網絡相同的方法，利用Smith圓圖進行源端的匹配設計，最后根據要求指標進行優化，使得放大器的增益和輸出功率更加符合設計要求，經過優化后的功率放大電路如圖9所示，仿真結果如圖10所示。
通過最后仿真圖可以得到在2.6GHz時，輸入功率為19dBm時，輸出功率為38.318dBm，即能夠達到6.5W的輸出功率。小于功放的1dB壓縮點，功率增益為19dB左右，效率達到45%左右，滿足設計指標的要求。
3 結論
本文提出了利用負載牽引和源牽引相結合的方法設計功率放大器，可以快速設計既滿足輸出功率又滿足附加效率要求的方法，因此可以簡化設計流程，極大地方便和加快產品的開發，而且對于射頻工程師來講，利用EDA軟件輔助設計是極為重要的，可以大大減少工程師的工作量，并能提高工作效率，降低成本。
