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基于負載牽引技術的射頻功率放大器設計

日期:2017/9/6                                                        瀏覽次數:2292

       功率放大器處于通訊系統中信號發射機的最末端,用來放大信號,與小信號放大器不同, 它要輸出一定的功率給負載。效率是功率放大器的一個基本指標,就非恒包絡調制方式而言, 包絡中攜帶有用信息,因此又需要功率放大用具有一定的線性度。射頻功率放大器工作在大 信號狀態時,會由于晶體管的非線性而表現出較強的非線性特性,從而使得信號失真,所以小信號放大器的設計方法并不適合射頻功率放大器的設計。小信號分析法的發展主要是基于線性控制理論,線性控制理論發展了一系列行之有效的設計理論,這就使得小信號放大器 的設計變得簡單可靠。而大信號,則是非線性控制要關注的題目,但非線性控制理論中數理 運算十分復雜,沒有線性控制理論那樣簡單直觀。

  利用負載牽引技術,可以在沒有大信號S參數的情況下,不斷變化負載阻抗,找到射頻功率放大器輸出功率最大(或效率最高)時的那個負載阻抗,即所謂的最佳阻抗。文中描述了5.2-GHz WLAN 的射頻功放的設計方法,借助高頻電路設計輔助軟件ADS 進行負載牽引, 然后設計輸出匹配網絡,接著設計輸進匹配網絡,在此基礎上進行優化。最后給出了增益、 輸出功率、附加效率等參數。

  1 放大電路的設計

  本次電路設計采用臺積電TSMC 0.18umCMOS 工藝,放大電路如圖1 所示,電路結構為差分形式,采取兩級放大,分別為驅動級和輸出級。驅動級采用差分的共源共柵(Cascode) 結構,可以提供適當的電壓增益;輸出級也是差分的共源共柵結構,在提供一定的電壓增益 的同時,還提供輸出功率,這種結構可以進步功放輸出電壓的擺幅,從而降低對晶體管最大 電流能力的要求,進步功放的效率。兩級之間采用的耦合電容Cp 和Cn,在進步隔離度的 同時起到級間阻抗匹配的作用。電感L1p、L2p、L1n、L2n 用作負載,電感Lnp 用來抵消源 極寄生電容對功放效率的影響,其中L1p、L1n 和Lnp 采用工藝庫里的片上螺旋電感來實現, 而L2p 和L2n 采用高Q值的鍵合線電感實現,這樣可以有效進步功放的增益。單路輸進信號經輸進匹配網絡由巴倫轉換成兩路信號Vinp 和Vinn,放大后的兩路信號Voutp 和Voutn 經輸出匹配網絡由巴倫轉換成一路信號送至天線。

 

      2 負載牽引技術的應用

  負載牽引技術可以由實際丈量系統[2][3]和高頻電路設計輔助軟件[4]][5]兩種方式實現,但 是搭建一個負載牽引丈量系統的本錢相當之大,而且不易實現,本文采用ADS 軟件對上面 所設計的功率放大器使用負載牽引(Loadpull)技術有規則的搜尋史密斯(Smith)圓圖上的 每個區域,確定最佳負載的阻抗值;然后設計輸出匹配網絡,將實際負載阻抗(通常為50Ω) 變換到最佳負載阻抗。負載牽引技術應用于功率放大器的設計。

     3 整體仿真

  輸出阻抗匹配網絡做完后再做輸進匹配網絡,將輸進阻抗匹配到端口阻抗(50Ω),輸進匹配網絡的主要目的是要提供夠高的增益,這與輸出匹配網絡是為了達到所要求的輸出功率 不同。S 參數中S11 表征輸進匹配情況,S21 表示增益,仿真結果如圖4 所示,由此可以看 出輸進匹配較好且增益基本符合要求。最后使用增益壓縮仿真,得到輸進1dB 壓縮點約為-9dBm,在1dB 壓縮點處的輸出功率以及功率附加效率如圖5 所示,這種結果滿足指標要求。
 

     4 總結

  本文描述了5.2-GHz WLAN 的射頻功率放大器的設計方法,首先設計放大電路,接著利用負載牽引技術找到能使輸出功率最大化的最佳輸出阻抗,以此為依據利用ADS 軟件中的Smith 圓圖設計輸出匹配網絡,然后再做輸進匹配,輸進匹配目的是提供夠高的增益,最后進行整體優化、仿真,得到增益、輸出功率以及功率附加效率(PAE)等性能參數,能夠滿足系統要求。

                                      (本文內容來源于網絡,版權歸原作者所有)
 

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