摘   要： 介绍了功率放大器的设计参数和仿真过程，提出了一种在ADS环境下仿真和设计功放的方法，通过实例给出了仿真结果，并与测试结果进行了比较。
    关键词： 功率放大器  设计  仿真  高级设计系统（ADS）  MRF21030

    各种无线通信系统的发展，如GSM、WCDMA、TD-SCDMA、WiMAX和Wi-Fi，大大加速了半导体器件和射频功率放大器的研究进程。射频功率放大器在无线通信系统中起着至关重要的作用，它的设计好坏影响着整个系统的性能，因此，无线系统需要设计性能良好的放大器。而且，为了适应无线系统的快速发展，产品开发" title="产品开发">产品开发的周期也是一个重要因素。另外，在各种无线系统中由于不同调制类型和多载波信号的采用，射频工程师为减小功率放大器的非线性失真，尤其是设计无线基站应用的高功率放大器时面临着巨大的挑战。采用EDA工具软件进行电路设计可以掌握设计电路" title="设计电路">设计电路的性能，进一步优化设计参数，同时达到加速产品开发进程的目的。
    设计功率放大器包括一系列步骤，如功率晶体管的选择、匹配设计、偏置电路的设计和电磁兼容等问题。功率放大器的设计通常采用EDA工具软件，如ADS、Serenade、sonnet等。许多文献^[1-2]中都有应用EDA工具设计软件设计有关射频电路的实例。EDA软件不仅能够设计和优化电路，而且能够仿真已设计电路的性能。本文提出的功率放大器的仿真方法和设计步骤，能够用于各种功率放大器的仿真与设计。本次仿真实例采用了飞思卡尔半导体的LDMOS晶体管MRF21030及其测试板，在ADS环境下仿真了该电路的特性，并且与测量结果进行了比较。仿真结果与测试结果的一致性说明了仿真的有效性。
1 仿真实现的主要功放特性
    当在ADS环境下设计和仿真功率放大器电路时，需要知道将要仿真哪些主要特性，然后根据有关已推导的公式建立仿真变量表达式，以获得主要仿真特性曲线并分析设计功放的性能，判断设计电路是否满足要求。衡量功率放大器特性有许多参数，包括输出功率、功率增益" title="功率增益">功率增益、效率和互调" title="互调">互调失真等。在本设计中，将仿真如下特性：漏极效率、转换功率增益、互调失真和回波损耗" title="回波损耗">回波损耗与频率的关系；漏极效率、转换功率增益与输出功率之间的关系。这些特性曲线也可以从飞思卡尔提供的应用晶体管MRF21030所设计的功放产品数据表中获得。可以将仿真结果与实际测量结果进行比较，判定是否一致。下面给出了主要仿真参数的定义和计算公式^[3]。
    转换功率增益：负载吸收功率与源资用功率之比为：

    漏极效率：负载吸收功率与直流供给功率之比为：

    三阶互调失真（IMD3）：输出功率的三阶互调分量与基波分量之比为：

    回波损耗（IRL）：回波损耗是反射系数的对数值。这里IRL是输入端口的回波损耗。

2 功率放大器特性仿真的主要步骤
    在对功率放大器进行仿真之前，需要做一些准备工作，其中包括仿真工具软件、用于仿真的功放晶体管模型、采用的电路结构和设计方法等。在本仿真中，选择了高级设计系统仿真软件，该软件在仿真射频电路中具有非常强大的能力。用于本仿真的功放模型既可以由制造厂家提供也可以在ADS环境下根据晶体管模型参数来建立。然后，可以根据适当的电路结构对功放进行设计。
    为了完成功放特性仿真，通常需要以下几个步骤：
    （1）将厂家提供的晶体管模型库输入到ADS模型库中；
    （2）根据放大器的要求和晶体管特性确定静态工作点；
    （3）进行功率放大器的电路设计，包括阻抗匹配、偏置电路和直流厄流等；
    （4）确定仿真类型（S-参数仿真、谐波平衡仿真、直流仿真、交流仿真等）和仿真参数以及ADS环境下的所需的一些变量；
    （5）对所设计电路进行仿真，分析这些曲线并得出结论；
    （6）优化功放电路结构和电路参数，能获得更好的性能，仿真最后达到性能要求。
3 仿真实例
在本次仿真的实例中采用了MRF21030晶体管测试板作为功率放大器，对本放大器的一些特性进行仿真，主要包括功率放大器的漏极效率、转换功率增益、IMD3和IRL（输入回波损耗）与频率的关系以及漏极效率、转换功率增益与输出功率的关系。测试板功放的静态工作点为：V_DS=28V,I_DQ=250mA,V_GS=3.85V。在V_DS=28V,P_out=30W PEP, I_DQ=250mA, f₁=2 140.0MHz, f₂=2 140.1MHz条件下,测试功放的性能为：G_ps=13dB,η=33%（漏极效率）, IMD=-30dBc, IRL=-13dB。下面给出仿真电路和仿真结果。

3.1 静态工作点确定电路与特性曲线
    在晶体管的技术参数中，半导体厂家通常给出漏极（集电极）工作电压和电流，但是并没有给出栅极（基极）电压。因此，需要通过仿真和实际测试获得这个电压。图1是晶体管直流特性仿真的电路。图2是MRF21030晶体管的特性曲线。在特性曲线中，能够发现静态工作点（m2点，即V_DD=28Vdc，I_D=250mA），得到栅极电压（V_GS=3.775V），这样静态工作点就确定了。

3.2 扫描频率时仿真电路和特性曲线
    图3是扫描频率时的谐波平衡仿真的电路图，这里输入功率是28.5dBm，这时功率放大器能获得最大的输出（30W）。图4给出了功放的仿真特性曲线。从这个特性曲线上可以看出，转换功率增益约为16dB，效率大约为50%，IMD3约为-27dBc，IRL约为-10dB，频率变化范围为2 080M～2 200MHz，而输出功率为峰值功率30W。

3.3 扫描功率时的电路与仿真曲线
    图5是当扫描功率时的谐波平衡仿真电路图，这里频率设定为中心频率2 140MHz。图6给出了转换功率增益、漏极效率的三阶互调失真和输出功率的特性曲线。从中可以看到转换功率增益为15dB左右，效率为5%～25%随输出功率（0～6W）而变化。

    查找飞思卡尔提供的有关晶体管MRF21030的特性曲线，通过比较可知，仿真结果基本上与厂家的测量结果一致，但也有一些微小的差别，尤其是IMD和效率，这主要是因为实际的器件和仿真模型不完全相同，另外仿真电路有某些理想的元件。在电路仿真中，可以通过优化电路参数达到放大器的性能要求，但通过实际选用器件并制版后，由于各种原因可能不能达到性能要求，这时需要根据测试的结果调整所选用的器件，最后达到性能要求。
    设计电路时，首先应该在EDA工具软件中进行性能仿真，这里可以适当地选用器件并进行优化，达到电路性能要求，缩短产品进入市场的周期，同时也节省了产品开发的成本。本文针对功率放大器的设计进行了阐述，采用的工具软件是ADS，给出了功率放大器在ADS软件环境下设计和仿真的方法和步骤，并给出了仿真特性的电路图和仿真后的特性曲线。同时对仿真曲线和实际测试的特性曲线进行了比较，比较结果表明仿真曲线和实际测试曲线是一致的，说明这种设计方法和步骤是可行的。利用ADS仿真工具软件进行电路设计和仿真，对射频工程师来说是一种重要的方法。
参考文献
[1] ULRICH L R, DAVID P N. RF/Microwave circuit design for wireless applications[M]. John Wiley & Sons, Inc. 2000.
[2]  GILMORE R, BESSER L. Practical RF circuit design for modern wireless systems, volume II, Active Circuits and Systems[M]. London. Artech House, 2003.
[3]  LUDWIG R, BRETCHKO P. RF circuit design: theory and applications[M]. Englewood. PrenticeHall, Inc, 2000.
[4]  SIMECONDUCTOR F, Inc. Freescale device data-wireless RF product. 2005.1:495-499.