射頻放大電路的優(yōu)化及仿真

引 言
在無線通信飛速發(fā)展的今天，射頻設(shè)計(jì)具有舉足輕重的作用，而放大電路是幾乎所有無線通信系統(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)中沒有遇到過的問題。

“放大”是無線通信系統(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放大電路(AMP1900)為例，對其進(jìn)行多方面的仿真，并加入匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，從而得到改善的射頻放大電路。

2 交流仿真、S參數(shù)仿真和調(diào)諧

仿真是完成射頻設(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10 MHz;SRC2中設(shè)置電壓為5 V;終端Term1，Term2分別標(biāo)識為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。

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。選擇的L，C值要使電路無損耗地通過1 900 MHz。

3 最優(yōu)化處理

通過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，對于S22進(jìn)行類似設(shè)置。啟動元件最優(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。

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。選擇的L，C值要使電路無損耗地通過1 900 MHz。

3 最優(yōu)化處理

通過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，對于S22進(jìn)行類似設(shè)置。啟動元件最優(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。

圖6中元件參數(shù)設(shè)置：仿真頻段100 MHz～4 GHz，步長10 MHz;SRC2中設(shè)置電壓為5 V;終端Terml，R1分別標(biāo)識為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

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。