基于ADS的多級功率放大器設(shè)計與仿真

摘要：對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航射頻模塊的發(fā)射部分進(jìn)行了分析和研究。介紹了BG2416CX芯片在北斗導(dǎo)航中的應(yīng)用，并基于RNC2416CX芯片的設(shè)計方案，設(shè)計并仿真其功率放大器模塊。完整地闡述了采用ADS設(shè)計工具完成各部分電路的方法，其設(shè)計結(jié)果優(yōu)于設(shè)計目標(biāo)，為后期進(jìn)一步研究北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和自主設(shè)計北斗導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)射部分芯片奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；功率放大器；ADS；發(fā)射機(jī)；負(fù)載牽引

0 引言
    北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是除美國的全球定位系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，與GPS和GLONASS相比，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)增加了通信功能，用戶終端可以進(jìn)行雙向報文通信。為此，北斗射頻模塊中除接收機(jī)外，其射頻前端還必須包含發(fā)射機(jī)電路。其發(fā)射部分將本機(jī)的短信息經(jīng)過調(diào)制、上變頻和放大后形成大功率的L波段射頻信號，再通過天線發(fā)送給衛(wèi)星。
    本文對發(fā)射機(jī)射頻前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡要的分析，介紹了RNC2416CX芯片在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用。并基于RNC2416CX芯片的設(shè)計方案，設(shè)計并仿真其功率放大器模塊。本設(shè)計利用ADS軟件完成了各個部分電路的設(shè)計，利用Load-pull、Source-pull相結(jié)合的技術(shù)，Momentum技術(shù)等解決功率放大器設(shè)計中的輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的難點。

1 北斗導(dǎo)航射頻模塊發(fā)射部分
    射頻模塊的發(fā)射部分可采用如圖1所示的電路結(jié)構(gòu)方案，它主要由ALC基帶放大器、低通濾波器、第一上變頻器、中頻帶通濾波器、APC中頻放大器、第二上變頻器、鎖相頻率合成器、高穩(wěn)定基準(zhǔn)源、射頻帶通濾波器、射頻功率放大器等單元電路組成。

    BG2416CX是一款用于“北斗一代”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的射頻收發(fā)芯片，集成了接收通道、發(fā)射通道及相應(yīng)的頻率綜合器。該芯片實現(xiàn)了北斗終端射頻模塊的單片化，只需要片外少許器件即可實現(xiàn)北斗一代的射頻收發(fā)功能，大大減小了產(chǎn)品體積，降低了系統(tǒng)成本。其發(fā)射通道輸出功率為-10～5 dBm，1 dB壓縮點輸出功率為10 dBm。由于系統(tǒng)要求功放的輸出功率為5 W，因而需要外接功放。

2 功率放大器設(shè)計
2．1 設(shè)計指標(biāo)
    頻率范圍：1 610～1 622 MHz；增益大于等于47 dB；駐波比小于等于1．5：1；輸入功率：-10～5 dBm；輸出功率大于等于37 dBm；功率附加效率大于等于34％。
2．2 設(shè)計思路
    根據(jù)設(shè)計指標(biāo)中對增益的要求，單級放大器不能實現(xiàn)預(yù)定的功率增益指標(biāo)，必須采用多級放大器。因此，沒計中輸出級采用了飛思卡爾公司MRFG35010AN，驅(qū)動級采用了瑞薩電子的NE651R479A，增益級采用了Hittite公司的HMC413QS16G。具體分配指標(biāo)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2．3 直流偏置電路的設(shè)計
    偏置網(wǎng)絡(luò)是所有射頻電路不可或缺的電路單元，其作用是為有源器件提供適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點，并抑制晶體管參數(shù)的離散性以及溫度變化的影響，從而保證電路穩(wěn)定的工作特性。
    輸出級采用飛思卡爾公司的MRFG35010AN，使其工作在AB類工作狀態(tài)，AB類功率放大器的優(yōu)點是輸出功率較大，同時有較高的效率，線性比較好，工作溫度較低，因而可靠性也高。因此其偏置點確定在：VDS=11V，IDS=0．554 A，VGS=-0．64 V。第二級驅(qū)動級的偏置點確定在：VDS=5 V，VGS=-0．64 V。
    直流偏置電路的設(shè)計采用1／4λ分支線法：用一段1／4λ的高阻抗(通常選擇200～300 Ω)傳輸線，與1／4λ低阻抗線構(gòu)成。在仿真過程中用理想的大電感來替代，這樣設(shè)計可以起到射頻扼流圈的作用，穩(wěn)定直流饋電的目的。
2．4 穩(wěn)定性分析
    放大器電路必須滿足的首要條件是在所有的頻段內(nèi)滿足絕對穩(wěn)定的條件。絕對穩(wěn)定是指在電路所處于的偏置條件下，放大器在整個頻率范圍內(nèi)始終都處于穩(wěn)定狀態(tài)，即同時滿足：
    穩(wěn)定性因子：
   
    輔助穩(wěn)定性因子：
   
    式中△=S11S22-S12S21。
    使系統(tǒng)穩(wěn)定的措施有很多種。其中最簡單的是在其不穩(wěn)定的端口增加一個串聯(lián)或并聯(lián)的電阻。而功放的目的是得到大的輸出功率，在管子輸入部分加入穩(wěn)定性電路雖然降低了系統(tǒng)的增益，但是不影響輸出功率。

    輸出級的穩(wěn)定性采用在管子輸入端口串聯(lián)電阻的方法來使電路穩(wěn)定，如圖3所示。對于穩(wěn)定性，當(dāng)穩(wěn)定性因子K>1時，最大資用功率增益滿足：
   
    所以，只有穩(wěn)定性因子K=1．05時，系統(tǒng)得到的增益在實際電路中會最接近最大穩(wěn)定性增益。
    第二級驅(qū)動級的晶體管工作頻率范圍內(nèi)也不穩(wěn)定，采用負(fù)反饋和在管子輸入部分串聯(lián)電阻的方法解決其穩(wěn)定性問題。
2．5 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
2．5．1 源、負(fù)載牽引法確定阻抗
    應(yīng)用于大功率放大器設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)的方法主要有以下幾種：大信號S參數(shù)法、動態(tài)阻抗法和Load-Pull，Source-Pull綜合使用的方法。為了得到最大的輸出功率，兼顧效率，所以這里采用Load-Pull，source-Pull綜合使用的方法來尋找最佳的外部負(fù)載阻抗和源阻抗，從而完成設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)。

    首先，進(jìn)行Load-Pull仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。綜合附加功率效率和輸出功率，得出負(fù)載最佳阻抗為4．477-j3．033。根據(jù)該負(fù)載阻抗值，采用分布參數(shù)和集總參數(shù)混合的方法設(shè)計輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。其次，將設(shè)計好的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)加入到Source-Pull仿真的電路中，進(jìn)行Source-Pull仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。從而得出最佳的源阻抗為1．764-j1．720。用與輸出匹配網(wǎng)絡(luò)同樣的方法設(shè)計好輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。
2．5．2 Momentum法設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)
    Mothentum是ADS中的三維電磁仿真器，它可以計算出微帶線等的電測特性，以及電路板上的寄生和耦合效應(yīng)。其功能很強(qiáng)大而且實用，利用它進(jìn)行版圖原件和原理圖原件的協(xié)仿真，可以把版圖中的各種耦合和寄生效應(yīng)在電路設(shè)計中得到整合，其設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。根據(jù)源、負(fù)載牽引法確定阻抗，出色地完成了匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。

    用同樣的設(shè)計方法和流程，設(shè)計出驅(qū)動級的匹配網(wǎng)絡(luò)。

3 功率放大器仿真及結(jié)果
    后兩級的增益約為25 dB，為了得到設(shè)計指標(biāo)的47 dB增益的要求，還需要選擇一個增益在22 dB左右的增益級。根據(jù)指標(biāo)分析，可以選用MMIC來完成這一設(shè)計，最終選用Hittite公司的HMC413QS16G。通過以上的設(shè)計，最后將三級進(jìn)行級聯(lián)仿真，如圖7所示。

    仿真結(jié)果如圖8所示，可以得到49．67 dB的小信號增益；S11和S22都小于-15 dB，因而駐波比優(yōu)于1．5：1。單音輸入的諧波仿真結(jié)果如圖9所示。

    由圖9可知，在輸入功率為-10 dBm時，該電路輸出功率為38．06 dBm，小信號增益為48．06 dB，功率附加增益為40．6％，1 dB壓縮點在38．20 dBm。雙音諧波平衡仿真結(jié)果如圖10所示，可計算出OIP3≈58 dBm。仿真結(jié)果總體優(yōu)于設(shè)計要求。

4 結(jié)語
    本次設(shè)計對功率放大器設(shè)計過程和結(jié)果進(jìn)行了分析，在ADS環(huán)境中進(jìn)行了電路的調(diào)試和仿真，應(yīng)用了源、負(fù)載牽引技術(shù)與Momentum技術(shù)相結(jié)合的方法設(shè)計了關(guān)鍵的匹配網(wǎng)絡(luò)，其測試的結(jié)果全面優(yōu)于設(shè)計目標(biāo)，這次的設(shè)計為進(jìn)一步研究北斗導(dǎo)航射頻前端起到了重要的作用。