基于Ansoft Designer的射頻功放電路阻抗匹配優(yōu)化

　　近年來，無線通信的蓬勃發(fā)展，極大地推動(dòng)了射頻集成電路的設(shè)計(jì)與研究。在處理射頻電路的實(shí)際設(shè)計(jì)問題時(shí)，總會(huì)遇到一些非常困難的工作，電路的阻抗匹配就是其中之一。目前阻抗匹配的設(shè)計(jì)方法主要有：
　　(1) 手工計(jì)算：這是一種極其繁瑣的方法，因?yàn)樾枰玫捷^長(zhǎng)（幾千米）的計(jì)算公式，而且被處理的數(shù)據(jù)多為復(fù)數(shù)。
　　(2) 經(jīng)驗(yàn)：只有在RF領(lǐng)域工作多年的工程技術(shù)人員才能使用這種方法?？偠灾?，它只適合于資深專家。
　　(3) EDA軟件：由于傳統(tǒng)的試驗(yàn)加調(diào)試的方法進(jìn)行阻抗匹配不僅成本高、周期長(zhǎng)，而且有很多不確定的因素，不能滿足現(xiàn)代設(shè)計(jì)的要求。而選用EDA軟件進(jìn)行射頻電路阻抗匹配設(shè)計(jì)雖然不能代替真正的實(shí)驗(yàn)，但它能夠在射頻電路的阻抗匹配設(shè)計(jì)中起到很好的指導(dǎo)作用，為射頻集成電路的設(shè)計(jì)帶來巨大的便利。
　　本文將采用EDA軟件Ansoft designer解決工作頻率為433MHz的射頻功放電路的阻抗匹配問題，使得電路的增益和反射系數(shù)得到明顯改善，并且電路的輸入輸出網(wǎng)絡(luò)部分獲得良好的阻抗匹配特性。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中射頻電路的設(shè)計(jì)過程得到簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)成本明顯降低，設(shè)計(jì)周期大大縮短。
1 射頻功放電路原理
　　射頻功率放大電路的原理圖如圖1所示，工作頻率為433MHz，以功放集成芯片RF5110G為主芯片，RF5110G集成了三級(jí)放大器。圖1中，與V_CC1(1)、V_CC(14)和RF OUT(9、10、11、12)連接的電容、電感主要對(duì)電源進(jìn)行濾波。第一級(jí)和第二級(jí)放大器的關(guān)斷由與VAPC1(16)連接的電容控制，第三級(jí)放大器的關(guān)斷由與VAPC(15)連接的電容控制。輸入和輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是需要設(shè)計(jì)的部分。如何確定阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的微帶傳輸線和元件的類型、參數(shù)以及連接關(guān)系，是射頻功放阻抗匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2 射頻功放電路阻抗匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)
　　射頻功放阻抗匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括：50Ω微帶傳輸線的選型及相關(guān)參數(shù)的確定；輸入輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中元件的類型、參數(shù)以及連接關(guān)系。
2.1 微帶傳輸線的優(yōu)化設(shè)計(jì)
　　微帶傳輸線的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要使用Ansoft designer中的微帶傳輸線分析合成工具來完成。在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到頂層的微帶線兩側(cè)有接地的銅線，它們會(huì)影響傳輸線阻抗的阻抗值，所以應(yīng)選用G_CPW型傳輸線,這里選用FR4作為制板材料，介質(zhì)為覆銅，厚度d=0.8mm，ε_r=4.3，Z₀=50Ω,槽縫的寬度G=1mm。運(yùn)用微帶傳輸線分析合成工具軟件分析50Ω的微帶傳輸線，當(dāng)工作頻率為433MHz時(shí)，計(jì)算得到微帶傳輸線的寬度W≈1.48mm，如圖2所示。

2.2 輸入輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
　　在進(jìn)行輸入輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，首先要建立主芯片RF5110G的網(wǎng)絡(luò)模型。用網(wǎng)絡(luò)模型分析電路可以避開電路的復(fù)雜性和非線性，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出特性的關(guān)系，其中最重要的是不必了解系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就可以通過實(shí)驗(yàn)確定網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出參數(shù)，即“黑盒子” 方法。將RF5110G用一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)表示，完成RF5110G的建模后，使用Ansoft designer中的Smith圓圖來對(duì)輸入輸出阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Smith阻抗匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)分析圖如圖3所示。由3圖分別得到：輸入阻抗匹配電路由11.37nH(實(shí)際設(shè)計(jì)取12nH)的電感和電長(zhǎng)度為5.3°(≈10.6mm)的50Ω微帶傳輸線串聯(lián)組成。
　　
　　輸出阻抗匹配電路由15.05pF（實(shí)際設(shè)計(jì)取15pF）的電容和電長(zhǎng)度為13°(≈26mm)的50Ω微帶傳輸線并聯(lián)組成。
　　
3 仿真分析
　　用Ansoft designer軟件分別對(duì)完成阻抗匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)之前、之后的射頻功放電路進(jìn)行模擬分析。圖4(a)、(b)分別給出了電路S參數(shù)的仿真結(jié)果：S參數(shù)隨頻率增加的變化趨勢(shì)。由圖4可知，在433MHz處，射頻功放電路完成阻抗匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)之前的S₁₁、S₂₁、S₂₂分別為-10.21dB、23.11dB、-2.78dB，完成阻抗匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)之后的S₁₁、S₂₁、S₂₂分別為-30.96dB、26.8dB、-27.27dB，增益比阻抗匹配前增加了3.7dB,輸入、輸出端的反射系數(shù)分別下降了20.75dB、24.49dB，性能明顯優(yōu)于阻抗匹配前，說明該射頻功放電路的輸入輸出匹配良好，反向隔離特性也良好。

　　本文應(yīng)用EDA軟件——Ansoft designer對(duì)射頻功放
　　電路進(jìn)行了阻抗匹配的設(shè)計(jì)。阻抗匹配完成后，電路仿真結(jié)果表明，射頻功放電路的增益得到了明顯的提高，反射系數(shù)得到了顯著的改善，達(dá)到了阻抗匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。
　　與其他的阻抗匹配設(shè)計(jì)方法相比較，基于EDA的阻抗匹配設(shè)計(jì)方法，大大降低了生產(chǎn)成本，縮短了設(shè)計(jì)周期，在射頻電路設(shè)計(jì)方面具有巨大的潛力。

參考文獻(xiàn)
[1] 顧墨琳，林守遠(yuǎn).微波集成電路技術(shù)-回顧與展望.微波學(xué)報(bào)，2000,16(3):279-289.
[2] CARR J J. RF circuit design[M].McGraw-Hill Companies,Inc.NewYork,2001.
[3] LUDWIG R, BRETCHKO P.射頻電路設(shè)計(jì).北京：電子工業(yè)出版社，2002.
[4] 傅佳輝，吳群．微波EDA電磁場(chǎng)仿真軟件評(píng)述．微波學(xué)報(bào),2004(2):23-25．
[5] 陳曉東．基于EDA下的高頻電路設(shè)計(jì)．解放軍信息工程大學(xué)碩士論文，2005:20-45.
[6] GREBENNIKOV A著. 射頻與微波功率放大器設(shè)計(jì).張玉興，趙宏飛譯． 北京:電子工業(yè)出版社，2006.