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1、-微波功率放大器的仿真设计毕业设计-第 15 页毕业设计题 目 微波功率放大器的仿真设计 学生姓名 周东晓 学号 1113014116 所在学院 物理与电信工程学院 专业班级 电子1104班 指导教师 贾建科 完成地点 物电学院实验室 2015 年 6 月 11 日毕业论文设计任务书院(系) 物电学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 一、毕业论文设计题目 微波功率放大器的仿真设计 二、毕业论文设计工作自_2014_年_ 2 _月_ 20_日 起至_ 2014_年 6月_20日止三、毕业论文设计进行地点: 物电学院实验室 四、毕业论文设计的内容要求： 射频功率放大器在雷达、无线通信、导航、卫星
2、通讯、电子对抗设备等系统中有着广泛的应用，是现代无线通信的关键设备。功率放大器总是要求在一定频率范围内输出一定的功率，同时满足系统高效率的要求。我们知道功率放大器的输出功率和效率是一对相互矛盾的统一体，不可能在获得大的输出功率条件下，又能获得很高的功率附加效率。在设计功率放大器的过程中，往往需要对这两个性能参数指标进行折中处理。那么如何对这两个性能参数进行折中处理就成为功率放大器设计中的一个难点。这个难点的最好解决方法就是放在功率放大器输入输出匹配网络的设计中来解决。本设计是利用微波射频仿真软件ADS对微波功率放大器进行仿真设计，掌握微波射频电路的工程设计理论和设计方法，提高专业素质和工程实践
3、能力。其具体要求如下： 1、分析微波功率放大器的各项参数； 2、查找相关资料并翻译相关的英文资料； 3、设计一微波功率放大器，技术指标如下； 工作频率0.945GHz 驻波比VSWR16dB 4、设计输入输出匹配电路，并利用仿真软件对设计进行仿真验证。 五、毕业论文设计应收集资料及参考文献： 收集关于微波功率分配器、ADS仿真等方面的专业资料，阅读和学习下列参考文献： 1 徐兴福ADS2008射频电路设计与仿真实例【M】.电子工业出版社，2010： 2 陈钺颖. ADS射频电路设计与仿真从入门到精通【M】.电子工业出版社，2013： 3 廖承恩. 微波技术基础【M】.西安电子科技大学出版社，2
4、011： 4 应荧莹. 微波工程【M】.电子工业出版社，20102 微波功率放大器的仿真设计 学生：周东晓（陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程专业电子1104班级，陕西 汉中 723000）指导老师：贾建科摘要：随着现代无线通信的发展，微波功率放大器已成为微波通信设备的重要部件，它的性能优劣在很大程度上影响着通信质量。因而，对微波功率放大器的研究和设计也越来越受关注。 本文分析了微波功率放大器的基本原理，介绍了其阻抗匹配电路的方法，并根据指标要求对晶体管的输入输出网络进行阻抗匹配，用微带线实现匹配电路。用ADS软件进行优化仿真，最后设计出大信号微波功率放大器。通过多次调试、测试实验，所
5、设计的微波功率放大器在0.945GHz的频率上增益达到16dB以上。 【关键字】：微波;功率放大器;优化设计;CAD.The simulation of microwave power amplifier design Zhou Dongxiao (Grade 11,Class 4,Major electronics and information engineering ，Electronics and information engineering Dept.，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shaanxi)Tutor: J
6、ia Jianke Abstract :With the development of wireless communication，microwave power amplifier has been an important component in microwave communication, its capability effects the quality of the communication in a large extent. So it has been paid more and more attention in the research and design o
7、f microwave power amplifier. In this paper, firstly the nonlinear characteristics of the microwave power amplifier have been analyzed, and several impedance matching circuits for the power amplifier have been introduced. Then according to the required features, the input and output impedance matchin
8、g networks have been respectively designed for a given transistor, using microstrip line model to solve this problem. And after having used the ADS software to make S-parameter simulation and optimization, a large signal microwave power amplifier is finally designed. With a series of rigorous experi
9、ments and tests, the maximum gain of the designed power amplifier can be up to 7dB . Key word: microwave； power amplifier； optimization design；CAD； 目录1 引 言12 微波功率放大器的非线性特性22.1 单级功率放大器的非线性分析22.2微波功率放大器线性化技术42.2.1反馈技术52.2.2前馈技术52.2.3预失真技术53 微波放大器的基本原理63.1微波功率放大器的增益63.2 微波晶体管放大器的稳定性74 使用ADS软件进行微波功率放大器的
10、设计与仿真84.1 微波功率放大器的设计步骤及参数84.2 直流扫描84.2.2 放入飞思卡尔元件模型94.2.3 扫描参数的设置94.2.4 仿真并显示数据104.3 偏置及稳定性分析114.3.1 原理图的建立124.3.2 稳定性分析134.3.3 稳定措施144.3.4 加入偏置电路154.4 负载牵引设计 Load-Pull164.4.1 插入Load-Pull模板174.4.2 确定Load-Pull的范围184.4.3 确定输出的负载阻抗184.5 运用Smith圆图进行匹配194.5.1 匹配电路的建立194.5.2 用实际元件替换输出匹配电路204.6 Source-Pull
11、214.7 电路优化设244.7.1 谐波平衡仿真254.7.2 优化输入输出匹配网络274.8 印制电路板图284.8.1 生成印制电路版图29结束语30致谢31附录A：总电路图32附录B：参考外文文献33附录C：参考外文文献翻译351引言在现代微波无线通信系统中，信息传输正朝着多载波、大容量、高速度方向迅猛发展。微波功率放大器是微波通信设备的重要部件，它的性能在很大程度上影响通信的质量。比如，微波功率放大器增益减小，输出功率下降，则会引起信噪比降低，或是通信距离减小；三阶互调失真大，对时分数字通信设备而言，会产生码间串扰，增大误码率；功放的泄漏会造成自激，使工作不稳定，严重时甚至会使通信中
12、断。性能优良的功率放大器，除了要进行精确合理的电路和结构设计外，还必须要有良好的生产工艺作保证。微波功率放大器近年来已广泛应用于雷达、电子对抗、广播电视等领域，它具有体积小、重量轻、耗电少、可靠性高、相位特性好的优点，且一般都在50欧姆的微带线上进行调试。作为功率放大器，应该有较大的输出功率和较高的效率，同时也要满足带宽、增益和稳定性的要求。由于功率放大器处在大信号状态，放大过程中难免产生非线性失真，在设计中必须着重考虑。因此，设计一功率放大器的关键是合理的选择功放管、正确确定工作状态、精心设计匹配网络和选择合适的电路等等。 本文的工作就是进行微波功率放大器的优化和设计。其中，第二章介绍了微波
13、功率放大器的非线性特性和各种常用线性化技术的基本原理；第三章介绍了微波功率放大器的设计原理；本文的第四章首先叙述了0.945GHz功率放大器的研制和设计，然后用ADS软件进行优化仿真，并对所设计的放大器进行加工制作，最后实验调试。按照所给定的指标要求，本文研究的功率放大器预期达到以下技术指标： 工作频率：945 MHz 驻波比 ：VSWR40% 2 微波功率放大器的非线性特性当微波功率放大器工作在大信号情况时，其幅度和相位特性的非线性会引起信号失真，产生互调和相位噪声1。2.1 单级功率放大器的非线性分析假设有一功率放大器，该放大器具有非线性，其输入、输出特性如图所示。PoutPin其输出电压
14、可以输入电压的幂级数表示，即 (2-1) (2-2)则变为 (2-3) 那么基波功率为 (mW) (2-4)输入功率为 (mW) (2-5)定义增益G为 (2-6)定义线性增益为 (2-7)那么1dB压缩点增益为利用上式可求得 (k30) (2-8)把（2-8）式代入（2-4）求出1dB压缩点功率 (2-9) (2-10)则（2-1）式变成 (2-11)由上式可见放大器输入、输出频谱如图2-2所示，从图2-2可以看出，非线性放大器会产生许多杂散频率，其中在频带外,而在频带内，即为交调产物。 放大器线性部分的延长线与三次交调产物线性部分延长线相交点的输出功率为截断点，该点是衡量放大器线性的一个参
15、数。如图2-3所示。设两个三次交调产物功率和为，两个基波线性输出功率和为，两基波输出功率和为，两基波输入功率和为，则 (mW) (2-12) (mW) (2-13) (mW) (2-14) (mW) (2-15)令 ，得 ，代入（2-13）式则 （dBm） (2-16)由上述关系还可以导出 (2-17)整理（2-12）式可得 (2-18)式中 (2-19)解（2-18）式得 （j=0,1,2） (2-20)上式成立条件为。当时，并以此为据从（2-20）式中选取合适的解，其中 cos=1.51875y-1 (2-21)令则 (2-22)将（2-22）式代入（2-12）、（2-13）式，得 （dB
16、m） (2-23) （dBm） (2-24)将（2-23）、（2-16）式代入（2-17）式得 （dB） (2-25)这样，利用（2-19）、（2-21）、（2-22）、（2-25）式即可求出放大器的交调。 2.2微波功率放大器线性化技术 为了消除微波功率放大器的非线性失真，必须采用一些可靠的线性化技术。提高放大器线性度最简单的方法是将放大器工作在甲类，并降低工作电平，直到得到所要求的线性度，即功率回退法。目前主流的线性化技术主要有三大类，即反馈技术、前馈技术与预失真技术，下面就简单介绍一下这些技术的原理。2.2.1反馈技术将RF输出信号直接反馈到输入端，通过反馈来达到对IM产物的抑制，即RF
17、直接反馈法，常用于低功率放大器，其应用受到工作频率和输出功率的很大限制，反馈环上的有限时延限制了带宽2，而且，这种方法难以实现多级反馈。在更高电平上，反馈网络耗散很大，不得不使用高功率电阻，增加了成本和结构复杂性。2.2.2前馈技术前馈技术3-5比反馈技术提出的早，是一种宽带线性化技术。前馈技术基本原理是通过将主功率放大器产生的失真信号样本前馈到放大器输出端，来大量抵消放大器输出端的失真信号。2.2.3预失真技术预失真技术6是一项通过产生输入信号的互补信号，来消除RF功放的非线性失真的线性化技术。在TV发射机（中频预失真）及TWT放大器（RF预失真）中已经成功地运用预失真技术来校正三阶交调失真
18、。一般说来，各种线性化方法大体都可以归成两大类7，即开环或闭环技术。各种反馈等都可看成是闭环系统，它们具有很高的线性化能力，可以在满足一定频谱抑制的同时，得到较好的功率输出和效率，但由于受到调制带宽的严重限制，通常局限在单载波系统的设计中。预失真技术则可看成开环系统，它没有闭环系统的校正精度，但它能够处理的多载波信号调制带宽非常宽，也不存在制约闭环系统固有的稳定性问题。并且其实现简单，成本较低，适合于在便携式系统等要求廉价且容量大的通信系统中使用。3 微波放大器的基本原理在微波放大器的设计中，从原则上讲都是希望提高放大器的增益。为使放大器能可靠地工作防止自激也是设计成败的关键所在。所以增益和稳
19、定性在放大器的没计中都是着重需要考虑的问题，这两个问题都有普遍意义。噪声在微波放大器的设计中是力求避免的，尽管在有的放大器的设计中不是主要考虑的技术参数，但也是性能优良为上，是放大器设计中值得重视的问题。微波放大器设计都要设计输入、输出匹配电路，所以在本章后面对输入、输也匹配网络的几种主要形式进行了研究。3.1微波功率放大器的增益 微波放大器增益包括实际功率增益、资用功率增益、传输功率增益。增益中的参数在晶体管这个二端口网络中的含义如图2-l所示。(1) 实际功率增益其中PL是负载吸收功率，即实际到达负载的功率，Pin是送进微波放大器输入端的功率，是负载反射系数，S11、S22、S12、S2l
20、是功率管的S参数，以下相同。从中可见实际功率增益只与功率管S参数和负载阻抗有关，而与输入端口的匹配程度无关。应用式(2-1)便于研究负载变化对功率放大器的影响。(2) 资用功率PLa是放大器的输出资用功率，即在放大器的匹配负载上能够获得的功率，也是放大器在信源阻抗下的最大输出功率值。Pn是信源的资用功率，即信源的最大输出功率。是源反射系数。可见资用功率增益只与晶体管S参数和信源阻抗有关，而与输出端口的匹配程度无关。应用式(2-2)便于研究信源阻抗变化对放大器功率增益的影响。Ga的物理意义是：插入放大器后负载可能得到的最大功率是无放大器时可能得到的最大功率的多少倍。而实际放大器在输入、输出端不见
21、得是共扼匹配的。Ga只是表示放大器功率增益的一种潜力。当在输入端口满足共扼匹配时，Ga达到最大值。(3) 传输功率增益上式体现了正向传输、输入匹配程度、输出匹配程度以及反馈等因素对增益GT所起的作用。GT的物理意义为：插入放大器后负载实际得到的功率是无放大器时可能得到的最大功率的多少倍。三种功率增益有如下关系：式中的M1，M2分别为输入端和输出端的失配系数。可证明：因此，三个功率增益中若已知其中一个，既可知另外两个。一般情况下，M11，M2l，表示两个端口都偏离共扼匹配，所以GTG GTGa当共扼匹配时，M1=M2=1，此时由以上分析可知G值只与输出端匹配程度有关，而与输入端匹配程度无关。Ga
22、只与输入端有关而与输出端无关。只有GT同时与输入、输出都有关。所以用GT表示增益比较全面，因此以GT来衡量放大器。3.2 微波晶体管放大器的稳定性 上节求得的放大器增益不一定都是可实现的，因为S12意味着放大器有内反馈，可能造成放大器不稳定。可以从放大器输入端口或输出端口是否等效有负阻来进行判断。如果放大器存在负阻，则有可能(并非一定)产生自激震荡。假设放大器输入阻抗则输入端反射系数的模为可见当R in 40% 电源电压： 28V根据上述设计要求，本设计选定飞思卡尔公司的LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor)功率管MRF9045N
23、。功率管MRF9045N的模型库可以再飞思卡尔公司的官方网站上下载。4.2 直流扫描 首先安装DesignKit，然后新建工程“PowerAmplifier_prj”，调用ADS内部所带的直流扫描模板对MRF9045N进行直流扫描4.2.1 插入扫描模板(1)执行菜单命令【Insert】，选择【Template】弹出“Insert Template”对话框，如图4-1所示。(2)选择“FET_curve_tracer”模板，单击【OK】。(3)单击鼠标左键将添加的FET直流扫描模板放入原理图中。模板如图6-2所示。 图4-1 选择直流扫描模板4-2 添加FET直流扫描模板后的原理图4.2.2
24、放入飞思卡尔元件模型(1)选择元件面板列表中的“Freescale RF High Power Model Library”选项，将面板中的元件以及飞思卡尔的控件放入原理图中，并用导线连接起来。(2)双击放入的元件模型调出属性对话框，在“Parameter Entry Mode”的下拉列表中，找到MRF9045N并点击【OK】选中。4.2.3 扫描参数的设置 (1)双击参数扫描控件“RARAMETER SWEEP”，修改参数如图4-3所示。 (2)双击控件“DC”，弹出“DC Operating Point Simulation”对话框，修改参数，如图4-4所示。 (3)直流扫描电路模型设置完
25、成，完成后的原理图如4-6所示。 (4)保存为“dc_sweep”。图4-3 VGS扫描参数设置图4-4 VDS扫描参数设置 图4-5 设置好的电路原理图4.2.4 仿真并显示数据(1) 按【F7】键开始仿真.(2) 仿真完成后，会自动弹出数据显示窗口，其中就有直流扫描的I-V数据表。执行菜单命令【Marker】选择【New】，把一个三角标志放在图上，可以控制它的位置，如图4-6所示。图4-6 I-V 曲线图表(3)因为是AB类功放，所以选取VGS =3.8V，静态工作电流IDS =717mA作为工作点。(4)存储数据窗口，默认名称为“dc_sweep”,扩展名为“.dds”，该文件会存储在项
26、目文件夹的目录中，而数据文件，即所有的.ds文件和数据设定会存储在data子目录中。4.3 偏置及稳定性分析4.3.1 原理图的建立 (1)单击【File】选择【New Design】，新建原理图文件，命名为“BiasStability”.图4-7所示 (2)插入S参数扫描模板。执行菜单【Insert】选择【Template】，点击“S_Params”，如图4-8所示。 图4-7 创建新的原理图图4-8 选择S参数扫描模板 (3)调出MRF9045N以及飞思卡尔识别空间，从“Lumper-Components”元件面板中调出扼流电感DC_Feed和隔直电容DC_Block，从“Sources-
27、Freq Domain”元件模板中调出直流电压源V_DC，加入S参数扫描控制器和Term端口，用导线连接好。从“Simulation-S_Param”元件面板中跳出测量稳定引资的控件“Stabfct”。双击S参数扫描控件，完成扫描参数设置，起始频率为1MHz，终止频率为3GHz,步长为1MHz，设置完后的原理图如4-9所示。图4-9 稳定性扫描原理图4.3.2 稳定性分析 仿真完成后在数据显示窗口中点鼠标右键，选择插入一个坐标图，然后弹出“Plot Traces& Attributes”对话框，选择要显示的StabFact1，点击【Add】然后点【OK】。此时会出现显示不同频率下稳定因子的坐标
28、图，如图4-10。 图4-10 仿真结果 从图中可以看出，在945MHz时，稳定因子K1，说明功率管在需要工作的点已经稳定图4-12 添加稳定措施后的原理图图4-13 改善稳定性后的曲4.3.4 加入偏置电路加入偏置电路后的原理图如图4-14图4-14 加了偏置后的原理图仿真后可以看到低端稳定性已经大为改善，功率管在高端也很稳定。4.4 负载牵引设计 Load-Pull4.4.1 插入Load-Pull模板 (1)在原理图窗口执行菜单命令【DesignGuide】中的【Amplifier】，弹出“Amplifer”对话框，如图4-15所示。选择“Load-Pull-PAE,Output Pow
29、er Contours”模板。 (2)在新建的HB1Tone_LoadPull原理图中删除原有的砷化镓FET模型，替换为加入偏置后的MRF9045N的电路，并按图4-16所示进行修改图4-15 Load-Pull 模板选择图4-16 修改后的原理图4.4.2 确定Load-Pull的范围 (1)对4-16的图进行仿真，弹出数据显示窗口，如图4-17图4-17 仿真结果 从图中可以看到，所需要的最大功率点和最佳效率点都不在计算范围内。因为功率圆和效率圆心均未显示出来，所以要改变计算的范围。 (2)回到原理里图中，改变VA计算范围的设置，如图4-18所示 (3)确定半径和圆心。执行菜单命令【Des
30、ignGuide】中的【Loadpull】，然后选择Reflection Coefficient Utility，此时会弹出一个新的数据显示窗口，如图4-19所示图4-18 Load-Pull 圆公式 图4-19 确定Load-Pull圆 依照最开始的仿真图，确定一个大概的圆心与半径的范围，经过调整使功率圆和效率圆的圆心均能显示，最后选择s11_center=-0.682+j*0.123，s11_rho=-0.308。为了使计算更精确，设置点数pts=500。4.4.3 确定输出的负载阻抗 (1)Load-Pull扫描参数确定后，再重新仿真，结果如图4-20所示。 (2)用鼠标左键双击功率圆（
31、蓝色）和效率圆（红色）可以改变线条粗细，将m1和m2移到圆心，即分别为最高效率和最大功率处，再分别双击m1、m2的标签，弹出“Edit Marker Properties”对话框，将Z。改为50。 图 仿真结果4-20(3)从仿真结果来看，最大效率是43.56%，最大功率是42.65dBm，而两个圆心不在一块，综合所得到的结果，为了使效率与功率都接近最佳，我们选择impedance=1.209+j*1.429作为MRF9045N在945MHz的输出阻抗。4.5 运用Smith圆图进行匹配4.5.1 匹配电路的建立 (1)新建原理图并命名为“OutputMatch”，然后再元件面板列表中选择“S
32、mith Chart Matching”，从元件面板中调出匹控件，建立电路，如图4-21所示。因为要求对输出阻抗共轭匹配，所以负载电阻为1.209-j*1.429。图4-21 OutputMatch 原理图 (2)执行菜单命令【Tools】中的【Smith Chart】,弹出“SmartComponent Sync”对话框，选择“Update Smith Chart Utility from SmartComponent”选项。 (3)点击OK进入史密斯圆图的匹配界面。将频率设置为0.945GHz，负载阻抗ZL为1.209-j*1.429，Zs为50。 (4)锁定阻抗后，将在史密斯圆图上出现一
33、个圆圈代表阻抗所在的位置，然后点击左边Palette栏中的微带线以及电容标志，可以在圆图中绘制曲线，一直到达到匹配点位置为止。如图4-22所示。右上的图显示的是S11曲线，可以看出匹配良好，右下角的显示的是匹配电路。 图4-22 使用史密斯圆图进行阻抗匹配(5)单击“Build ADS Circuit”，将电路生成至SmithChat元件。 (6)回到原理图，选择SmithChat元件，然后单击图标可以查看具体的匹配电路，如图4-23所示图4-23 生成的输出匹配电路 (7)MRF9045N的输出输入口均由最大为6.35*5.59的电极组成，所以，为了更好的匹配及方便焊接，该功率管的输入输出微
34、带应该比电极大。为节约尺寸，采用分立件和微带混合的方式匹配。从成本考虑，介质基片采用Er=4.6的1mm厚的环氧玻纤板FR4。 微带线的电角度与电阻值，长度与宽度，这两组数据知道任意一组都可以计算出另一组数据。执行菜单命令【Tools】，选择【LineCalc】，就可以再此计算微带。如图4-24所示图4-24 MRF9045的微带的计算 (8)添加S参数仿真控件，与MSub控件，对原理图进行仿真，观察S(2,1)的参数，可以发现匹配已经良好。图4-23图4-23 完成匹配的原理图4.5.2 用实际元件替换输出匹配电路 (1)将原理图中的微带线用实际微带线替代，电容用库里所带的电容进行替换，然后
35、再次进行仿真。结果如图4-24图4-24 添加实际元件后的仿真结果 从图中可以看出，放入实际元件后，参数有所恶化，但是很小，可以认为输出阻抗的匹配工作已经完成。4.6 Source-Pull (1)在原理图窗口中，执行菜单命令【DesignGuide】中的【Amplifier】，弹出“Amplifier”对话框，选择“Source-Pull-PAE,Output Power Contours”模板。单击OK出现名为“HB1Tone-SourcePull”的原理图，修改原理图，在功率管输出阻抗匹配电路，如图4-25所示。图4-25 设置完成源阻抗匹配的电路 (2)按确定Load-Pull参数的方
36、法调整好Source-Pull的范围后，进行仿真，计算得出输入阻抗的值为1.69-j*1.9，如图4-26所示。(3)对输入阻抗进行共轭匹配，即匹配到1.69+j*1.9。在史密斯圆图中进行同前面所述一样的匹配，如图4-27(4)生成电路图，添加S参数仿真控件与MSub控件，如图4-28所示(5)用实际元件进行替换，然后进行仿真，结果如图4-29所示，从仿真结果来看输入电阻匹配良好。 图4-26 仿真结果图4-27 源阻抗的史密斯圆图匹配图4-28 完成匹配后的原理图图4-29 仿真结果4.7 电路优化设计4.7.1 谐波平衡仿真 (1)新建一个原理图，在原理图框中建立图4-30所示的原理图，在此采用谐波平衡仿真。设置漏极电压为28V，栅极电压为3.8V。工作频率为945MHz，扫描功率为-30dB-40dB。 图4-30 谐波平衡仿真的原理图 图4-31 未优化前的电路仿真结果 其中，Gp-Gp0并不存在，需要在数据显示框中单击鼠标右键，选择insert里的plot，在里面选择 Equations这一项，并在右边所示的框里双击一个项，在里面添加一个新的Gp-Gp0的函数即可以显示出结果来。 从4-31