基于ADS高效率微波功率放大器設計

摘要：基于ADS軟件，選取合適的靜態(tài)直流工作點，采用負載牽引法得到LDMOS晶體管BLF7G22L130的輸出和輸入阻抗特性，并通過設計和優(yōu)化得到最佳的共軛匹配網(wǎng)絡，設計出高效率功率放大器。ADS設計仿真表明該功率放大器在中心頻率2 160 MHz處的效率達到70％，穩(wěn)定性好、增益平坦度小等優(yōu)點。
關鍵詞：ADS；負載牽引法；功率放大器；共軛匹配

隨著無線通信技術的發(fā)展，除了廣為人知的無線廣播、衛(wèi)星電視等公共通信服務外，包括以手機、無線局域網(wǎng)和藍牙等為代表的個人服務也進入到人們的視野中，并逐步成為人類生活中不可替代的通信工具。同時隨著技術日新月異的發(fā)展和人們通信需求的增加，無線通信產業(yè)還將繼續(xù)向前蓬勃發(fā)展。在無線通信系統(tǒng)中，功率放大器是無線發(fā)射機中的核心模塊之一，它不僅僅是將信號放大以實現(xiàn)遠距離的可靠傳輸，而且對信號的效率、穩(wěn)定度和帶寬等方面都提出了很高的要求。因此對于微波功率放大器的研究和設計有著重要是意義。

1 功率放大器的設計
1．1 設計指標
本設計方案選取的是NXP公司的BLF7G22L130功率管，設計的主要性能指標為：工作頻段2 150～2 170MHz；輸出功率為30W(44．7dBm)；在中心頻率處的工作效率大于70％，增益平坦度要求小于0．5 dB。
1．2 靜態(tài)工作點與偏置電路的設計
設計放大器首先需要確定靜態(tài)工作點，利用ADS中的“FET_curve_tracer”的模板可以很方便地仿真出其輸出特性曲線。再參考BLF7G22 L130的datasheet，可以確定當Vds=30 V，Ids=950 mA時，各項設計指標滿足要求。
確定靜態(tài)工作點后，就要確定偏置電路的形式和參數(shù)。借助ADS中的設計向導工具(DesignGuide→Amplifier→Tools→Transistor Bias Utility)可以輕易完成。因為ADS所提供的元件數(shù)值是非標稱的，所以需要設計者用與ADS提供的數(shù)值接近的標稱元件進行替代。
1．3 負載牽引法設計共軛匹配
為了得到最佳的線性度和較好的效率，使功率放大管在最佳狀態(tài)下工作，并充分發(fā)揮其潛力，所以采用負載牽引特征對BLF7G22L130進行等功率曲線和等效率曲線的掃描，以選擇最佳輸出阻抗來進行功率放大器設計。
按上述確定好的最佳靜態(tài)直流工作點設置好電路，然后基于ADS軟件中Load-Pull-PAE對該偏置好BLF7G22L130電路模型進行負載牽引的最佳輸出阻抗設計。設計仿真頻率為2 160 MHz，仿真后選取最佳的輸出阻抗如圖1所示。

該BLF7G22L130模型在靜態(tài)工作點的條件下，能夠得到理想的最大效率PAE為69．39％，輸出功率為47．08 dBm。綜合考慮輸出功率、效率和線性度等條件，這里選取Zload=1．17+i*0．348作為該MRF21030模型在該靜態(tài)工作條件下的最佳輸出阻抗，以其共軛作為輸出匹配網(wǎng)絡設計的阻抗。
采用同樣的設計方法，基于ADS軟件中的Source-PullPAE，對該偏置好的電路模型進行負載牽引的最佳輸入出阻抗設計，這時需要把按最佳輸出阻抗匹配好的輸出匹配網(wǎng)絡加入到電路中進行仿真。選取得到最佳的輸人阻抗點Zsource=2．648-i*0．796，并以它的共軛作為輸入匹配網(wǎng)絡設計的參考。
在得到最佳源阻抗和負載阻抗后，需要通過阻抗變換將之匹配到50 Ω，本方案采用階梯阻抗變換器實現(xiàn)匹配，利用階梯阻抗變換器中不同阻抗微帶線反射波相互抵消的原理，將源和負載阻抗匹配到50 Ω。負載匹配網(wǎng)絡如圖2所示。