ADS宽带射频功率放大器的仿真设计(2)
4.1射频功率晶体管的选择 15
4.2 晶体管直流工作点扫描 .. 15
4.3 集体管S 参数扫描 . 16
4.4 输出匹配网络设计 . 18
4.5 输入匹配电路 21
4.5.1 输入阻抗测试 . 21
4.5.2 输入匹配网络设计 .. 22
4.6 整体电路仿真设计 . 24
4.7 宽带功率放大器的优化设计 . 24
4.8射频宽带功率放大器的版图 . 26
总 结 .. 27
致 谢 28
参考文献 .. 29 1 绪论 1.1 射频宽带功率放大器的应用 微波具有高频率的特点，能在宽频带内实现大信息量通信， 所以早先被广泛应用于雷达，而现在微波通信技术已经很成熟了，微波也在各种不同的领域扮演着重要的角色。雷达是利用电磁波对目标进行方位探测和跟踪定位，而在雷达系统发射机中功率放大器是不可或缺的组成部分，其实在近乎所有的射频通信系统中，都需要对信号进行功率放大，所以射频功率放大器的应用特别多，譬如在电子信息对抗战中，利用射频功率放大器制成的“诱饵”可以吸引敌方的火力攻击，避免己方飞机被导弹击中[2]。总之，我们在需要对信号进行远距离发射的情况下一般都需要利用功率放大器来进行信号放大，而射频功率放大器在拓宽带宽后能在迅速改变频率实施通信的情况下，便于提高可靠程度，简化文护程序和实现自动调整。 1.2 射频宽带功率放大器的国内外研究状况 随着无线通信新技术日新月异的发展，提高射频宽带功率放大器的性能是理所当然的要求。在微波功率放大器的设计中，最值得考虑的是微波功率放大器的稳定性、功率增益、工作带宽、 抗噪性能和直流偏置。 国内国外的研究人员在这几个性能方面精益求精， 不断探索，取得了很多收获，例如：加拿大的科学家率先于1992 年成功研制出了输出功率达到 6KW 高频段微波功率放大器，这个微波功率放大器集成了 15 个 350W 大功率放大模块，它的工作频率范围从2.6GHz到3.2GHz，它的工作效率为30% [5]；日本的研究工作者也于 2000年设计出了一种基于 MMIC 技术的新结构功率单元，能在 S 波段实现输出功率高达十几 KW 的输出。日本科学家提出的这种 GaAs MMIC 功率放大器通过准光腔集成技术，成功集成了好几百个GaAs MMIC 功率模块[6]， 它的工作频带从2.7GHz到3.1GHz，最小输出功率为47.8dBm。如今， 基于MMIC技术的功率放大器已由于它在消除寄生电容和寄生电感的良好表现而得到了普遍应用。但是将功率放大器拓宽频带还是需要仔细考虑的新难题。从根本上说，所谓宽带放大器的设计就是要提高放大器工作频率范围同时也不能以牺牲放大器的增益为代价。国内外也已成功研制出大量的宽带功率放大器产品，例如：我国石家庄的研究所的研究人员设计了一款宽带单片功率放大器，工作频率范围从2 GHz 到7GHz,功率增益大于15dB；我国研究人员杜小玲、王忠等设计的宽带功率放大器在 100MHz-400MHz 频段内，在保证有着 20W 的功率输出时功率增益平坦度不高于 1.5dB[8]； 。国外的专家 Murat Eron 研制了一款工作频带为 0.02GHz到3GHz线性增益达到 43dB的高增益宽带功率放大器。 1.3 本课题的目的、研究内容与意义 1.3.1 本课题的目的 要成功设计出一款射频宽带功率放大器，也就是使功率放大器在各个性能方面都达到很高的要求。最重要的是设计适当的匹配网络或者反馈网络，以补偿 S21随频率的变化。当然，要想成功设计出符合要求的射频宽带功率放大器，我们必须得清楚设计的困难所在以及解决问题的办法。在设计中，经常遇到这样一些困难： （1） S21和S12随频率的变化而变化，而电路的稳定性在理论上取决于|S21 S12|这一数值，我们必须在增益稳定平坦的区域内检测放大器的稳定性，我们必须保证放大器在频带内有足够的稳定性。 （2） 我们知道散射参数S11和S22总是随着频率的变化而变化，而且频率范围跨度越大，我们就会发现散射参数的变化越大。 （3） 在实现宽频带时，容易出现噪声系数和驻波比急剧恶化的频率范围。 （4） 为了方面的在工作频带内隔离直流和交流信号，我们要合理的设计直流偏置网络，而又要满足宽带要求，就不能像设计一般的功率放大器那样设计偏置网络，要设计特殊形式具有特殊结构的偏置网络。 当然，在设计放大器的过程中，我们会遇到更多的困难，有些问题相互之间或许是矛盾的，进行仿真设计时我们就是要尽力克服这些困难完善设计技术，了解设计过程，从而探索出设计功率放大器的新技术，开发出各种有性能优势的射频宽带功率放大器。 1.3.2 本课题的研究内容 本文的主要目的实现一个射频宽带功率放大器的仿真设计，可在1.8GHz到 2.2GHz 的频率范围内实现稳定增益， 并要求功率增益在10dB左右。本课题设计的功率放大器能在1.8GHz到 2.2GHz 的频带范围内工作，而且在前面我们也说过这会出现很多困难。我们就是要克服这些困难，我们要运用好匹配网络综合的能力，设计出符合要求的功率放大器。 1.3.3 研究课题的意义 功率放大器在微波系统中有着无可比拟的地位，我们也可以通过国内外的研究状况了解到很多研究人员为了功放能在更多的场合适用所付出的努力和得到的收获。熟悉功率放大器的设计原理与技巧能让我们开发出性能更好的功率放大器。我们总是希望功率放大器在足够宽的频带内有足够高的功率增益，同时我们还希望它符合效率高的要求，但是要同时满足这两方面的要求在理论上没有可能，我们只能在技术上不断综合，以求完善这两个相互矛盾的指标。目前最合适的技术就是利用负载牵引和源牵引技术设计匹配网络以求设计出符合要求的射频功率放大器。 1.4 论文的章节安排 第一章，绪论。介绍了射频宽带功率放大器在各个领域内应用与发展历程、国内国外的研究状况、研究本次课题的目的与研究的内容以及本次课题的意义，接着对本文需要实现的功率放大器指标会遇到的困难以及如何实现这个目标进行简述，最后说明了文章的章节安排。 第二章，射频宽带功率放大器的相关理论与指标。分析了射频宽带功放设计的一些基本理论和设计方法， 介绍了S 参数模型和传输线基础理论， 然后介绍了功率放大器的重要指标。 第三章，射频宽带功率放大器的核心技术。结合宽带功率放大器的设计方法详细讨论了阻抗匹配理论与技术。 第四章，射频宽带功率放大器的仿真设计。结合 ADS 仿真软件阐释了成功设计射频宽带功率放大器的匹配网络的方法以及设计过程中仿真结果的分析。 第五章，总结。对本文的研究成果以及研究过程进行了分析总结。