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          射頻放大電路的優(yōu)化及仿真

          ——
          作者: 時(shí)間:2008-01-14 來(lái)源: 收藏

            1 引 言

            在無(wú)線通信飛速發(fā)展的今天,設(shè)計(jì)具有舉足輕重的作用,而是幾乎所有無(wú)線通信系統(tǒng)的必備環(huán)節(jié)。由于工作頻率的日益提高,模擬和數(shù)字電路設(shè)計(jì)工程師們正在不斷地開發(fā)和改進(jìn)電路,用于無(wú)線通信的模擬電路是在GHz波段,高性能的計(jì)算機(jī)、工作站以及PC機(jī)所用電路的時(shí)鐘頻率不斷地增加,全球定位系統(tǒng)載波頻率在1 227.60 MHz和1 575.42 MHz范圍,個(gè)人通信系統(tǒng)中用的低噪聲放大器工作在1.9 GHz,并可安裝在比硬幣還小的電路板上,在C波段的衛(wèi)星廣播包括4 GHz上行和6 GHz下行系統(tǒng)。隨著無(wú)線通信的快速發(fā)展,更緊湊的放大器、濾波器、振蕩器和混頻器電路正被設(shè)計(jì)出來(lái)并交付使用。通常這些電路的工作頻率高于1 GHz。這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程不僅要有獨(dú)特性能的技術(shù)裝置,而且要專門設(shè)計(jì)解決在常用的低頻系統(tǒng)中沒有遇到過(guò)的問(wèn)題。

            “放大”是無(wú)線通信系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)、接收機(jī)中普遍存在并且發(fā)揮重要作用的一個(gè)環(huán)節(jié)。下面將以實(shí)際的1900 MHz(AMP1900)為例,對(duì)其進(jìn)行多方面的,并加入匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化,從而得到改善的

            2 交流、S參數(shù)和調(diào)諧

            仿真是完成設(shè)計(jì)的一個(gè)有力手段,按照最優(yōu)化的電路圖制作實(shí)際電路,顯然是最高效的。首先給出放大電路AMP1900中用到的子電路BJTpkg:

            

            該電路為考慮寄生參量的放大器子電路,beta為他的一個(gè)參數(shù),在上層電路中,默認(rèn)beta值為160。預(yù)置電壓Vaf為50,E.B漏電流Isc為0.02e-12;端口B、C、E分別標(biāo)識(shí)為Num2,1,3;C1,C2均為120 fF;L1,L2,L3均為320 pH,其中L1阻值0.01 Ω;BJT1即采用BJTM1模型。

            在上述子電路基礎(chǔ)上建立1.9 GHz初始放大電路(加入匹配網(wǎng)絡(luò)前)如圖2所示。

            

            其中:仿真頻段為100 MHz~4 GHz,步長(zhǎng)10 MHz;SRC2中設(shè)置電壓為5 V;終端Term1,Term2分別標(biāo)識(shí)為Num1和Num2,阻抗均為50 Ω;Q1中beta值采用默認(rèn)的160;DC_Block1,DC_Block2電容值為10 pF;DCFeed1,DC_Feed2均為120 nH;Rb,Rc阻值分別為56 kΩ和590 Ω。

            運(yùn)行電路仿真,對(duì)傳輸參數(shù)和反射參數(shù)數(shù)據(jù)繪圖并做標(biāo)記如圖3所示,從圖中可以看出,增益曲線比較平坦,泄漏也適當(dāng),但阻抗并未匹配。

            

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            利用ADS調(diào)諧功能,加入匹配元件L和C并多次改變參數(shù)值,得到輸入及輸出端匹配網(wǎng)絡(luò)的電路如圖4所示,電路性能在圖 5中給出。

            

            考察圖3中的S11數(shù)據(jù),并聯(lián)一個(gè)電容C將把標(biāo)記點(diǎn)朝50Ω恒定電阻圓圖靠近,一個(gè)串聯(lián)電感可使其沿50 Ω圓朝Smith chart圓心移動(dòng)。選擇的L,C值要使電路無(wú)損耗地通過(guò)1 900 MHz。

            3 最優(yōu)化處理

            通過(guò)在原理圖中引入最優(yōu)化控制器和優(yōu)化目標(biāo),可以得到最優(yōu)化的匹配網(wǎng)絡(luò)。這里優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置S11最大值為-10 dB,頻率范圍1 850~1950 MHz,對(duì)于S22進(jìn)行類似設(shè)置。啟動(dòng)元件最優(yōu)化處理,設(shè)置L優(yōu)化范圍是1~40 nH,C優(yōu)化范圍為0.01~1 pF。優(yōu)化處理完成后匹配網(wǎng)絡(luò)的元件參數(shù)值被自動(dòng)替換為最優(yōu)值,為電感添加電阻。最終得到放大電路如圖6所示。

            

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            圖6中元件參數(shù)設(shè)置:仿真頻段100 MHz~4 GHz,步長(zhǎng)10 MHz;SRC2中設(shè)置電壓為5 V;終端Terml,R1分別標(biāo)識(shí)為Num1和Num2,阻抗均為50 Ω;Q1中beta值采用默認(rèn)的160;DC_Block1,DC_Block2電容值為10 pF;DC_Feed1,DC_Feed2均為120 nH;Rb,Rc阻值分別為56 kΩ和590 Ω。匹配網(wǎng)絡(luò)中,L_match_in為18.3 nH&12 Ω,C_match_in為0.35 pF,L_match_out為27.1 nH&6Ω,C_match_out為0.22 pF。

            同樣對(duì)最優(yōu)化電路運(yùn)行S參數(shù)仿真,可以得到接近理想的電路性能如圖7所示。

            

            4 結(jié) 語(yǔ)

            改善射頻系統(tǒng)的性能,必須首要改進(jìn)其各個(gè)功能部件的性能指標(biāo)。比較圖3和圖7可以明顯看到該放大電路性能的提升,這對(duì)于最大功率傳輸、抑制回波損耗等具有顯著的改進(jìn)作用。軟件仿真是提高工作效率的一條捷徑,諸如 ADS等高頻仿真設(shè)計(jì)軟件提供了可靠的設(shè)計(jì)依據(jù),對(duì)射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)也是必不可少的助手。按照上述優(yōu)化結(jié)果制作出實(shí)際的放大電路模塊,利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量,其S參數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)均與仿真效果基本吻合。在筆者應(yīng)用中,加入了該放大電路的無(wú)線通信發(fā)射機(jī)、接收機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,同時(shí)具有較強(qiáng)抗干擾性能。



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