鄭玉鑫，李 魁，夏體慧，南敬昌

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105）

0 引 言

GSM（Global System for Mobile Communcation，GSM）系統(tǒng)是移動通信中最為經(jīng)典的系統(tǒng)，全球超200個國家和地區(qū)超10億人正在使用GSM電話[1]。在GSM移動通信系統(tǒng)中，通過基站完成信號傳輸。功率放大器（Power Amplif i er，PA）[2]作為基站中最重要且最耗能的元件，其性能將直接影響系統(tǒng)性能[3]?；竟β史糯笃鞯妮敵龉β蔥4]越高，通信距離就越長且有效覆蓋面積會越大[5]，其效率決定了電池的使用時長[6]。因此對基站中功率放大器的研究具有很強的實用價值和經(jīng)濟價值。在各種無線系統(tǒng)中由于不同調(diào)制類型和多載波信號的采用，射頻工程師為減小功率放大器的非線性失真，尤其是設(shè)計無線基站應(yīng)用的高功率放大器時面臨著巨大的挑戰(zhàn)[7]。本文采用CREE（科銳）公司設(shè)計生產(chǎn)的CGH40035F射頻結(jié)柵場效應(yīng)晶體管，在安捷倫公司的Advanced Design System（ADS）仿真平臺上，設(shè)計了一款可以工作在880 MHz的GSM基站功率放大器。設(shè)計采用雙向牽引技術(shù)以準(zhǔn)確得到放大器最大效率和輸出功率下的最佳輸入輸出阻抗[8]。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用Advanced Design System仿真軟件中的三維平面電磁仿真器Momentum，設(shè)計產(chǎn)生精準(zhǔn)的EM（Electromagnetic）模型[9]，主要通過模擬具有物理意義的布局元件，將版圖元件的物理效應(yīng)納入考慮范圍，得到高精度的仿真結(jié)果[10]。

1 放大器理論分析

功率放大器的設(shè)計要保證在其工作頻段內(nèi)具有穩(wěn)定性，同時也要滿足所需功率并盡可能提高增益指標(biāo)，具有較好的功率放大能力。為防止放大器產(chǎn)生自激，需要先對射頻放大器進(jìn)行穩(wěn)定性分析以確定其穩(wěn)定工作的條件。匹配電路的設(shè)計使射頻PA的輸入、輸出功率達(dá)到最佳功率匹配，這也是射頻PA的重要任務(wù)。雙向牽引法是目前已存在的仿真方法中較為準(zhǔn)確的方法，可以采用雙向牽引法獲得最佳輸入阻抗。聯(lián)合仿真考慮到版圖在工程中的接地問題，可以獲得更為真實的仿真結(jié)果。后文主要闡述了雙向牽引及聯(lián)合仿真的相關(guān)理論及方法。

1.1 雙向牽引理論

雙向牽引技術(shù)相比一般的牽引技術(shù)，具有準(zhǔn)確得到最大效率和輸出功率下最佳輸入輸出阻抗的優(yōu)點。雙向牽引框圖結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙向牽引框圖結(jié)構(gòu)

采用雙向牽引得到最佳輸入輸出阻抗的過程如下：

（1）首先利用ADS自帶的Load-pull和Source-pull模塊進(jìn)行負(fù)載牽引和源牽引，得到最佳基頻阻抗ZLoad0和ZSource0。

（2）把得到的ZSource0代入其中，即固定ZSource0不變，繼續(xù)進(jìn)行負(fù)載牽引，得到ZLoad1；接著進(jìn)行源牽引，固定ZLoad1不變，得到ZSource2。

（3）如此循環(huán)，得到最終的輸入輸出阻抗值。一般在此設(shè)計過程中，只需進(jìn)行2～3次牽引即可得到結(jié)果。

1.2 聯(lián)合仿真

較一般的原理圖仿真而言，原理圖-版圖聯(lián)合仿真能夠提高放大器設(shè)計的準(zhǔn)確性，使仿真結(jié)果具有更高的實用價值。與原理圖相比，版圖考慮了實際布線，而原理圖電路在進(jìn)行仿真時未考慮分立器件如何分布以及走線分布參數(shù)等問題[11]。因原理忽略了很多實際生產(chǎn)過程中可能遇到的問題，因此只進(jìn)行原理圖仿真得到的仿真結(jié)果未必可靠。而聯(lián)合仿真考慮了制版的布線、實際接地等問題，因此得出的仿真結(jié)果更具體、更準(zhǔn)確。

2 功率放大器的設(shè)計

采用雙向牽引技術(shù)和電路圖-原理圖聯(lián)合仿真進(jìn)行AB類功率放大器的設(shè)計，選用CREE公司設(shè)計生產(chǎn)的CGH40035F晶體管，設(shè)計工作中心頻率為880 GHz。

2.1 直流掃描與穩(wěn)定性分析

直流掃描仿真電路能夠獲得晶體管的直流曲線以及PA的靜態(tài)工作點，更加明確放大器的工作狀態(tài)。對CGH40035F晶體管進(jìn)行直流仿真，獲得晶體管的伏安特性曲線。根據(jù)CREE公司給出的數(shù)據(jù)手冊設(shè)計AB類功放，固定VDS為-2.8 V，掃描直流電流為513 mA，滿足數(shù)據(jù)手冊中的要求。圖2仍舊根據(jù)CREE公司給出的數(shù)據(jù)手冊設(shè)計AB類功放，固定VDS為-2.8 V，掃描直流電流為513 mA，滿足設(shè)計要求。圖2中VDS=28 V，IDS=513 mA，VGS=-2.8 V即為所獲得的靜態(tài)工作點。

為了使功率管在頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，特在輸入端增加一個有耗元器件，在隔直電容后串聯(lián)一個小電阻，發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定性得到明顯提高。

圖2 直流特性曲線

2.2 雙向牽引法確定輸入輸出阻抗

確定最佳輸入輸出阻抗是提高PA效率及輸出功率的關(guān)鍵。通常情況下，高頻信號源的輸出阻抗和晶體管的輸入阻抗并不匹配，信號源一般為50 Ω，晶體管則是幾歐到幾十歐。信號源和晶體管中間加入輸入電路，作為阻抗變換，從而獲得阻抗匹配。本文采用雙向牽引技術(shù)得到最佳輸入輸出阻抗，如圖3、圖4所示。

圖3 負(fù)載牽引電路及仿真結(jié)果

經(jīng)過雙向牽引得到的最佳輸入輸出阻抗見表1所列。

圖4 源牽引電路及仿真結(jié)果

2.3 匹配電路的設(shè)計

一般匹配電路有三種形式，即集總參數(shù)、分布參數(shù)和混合參數(shù)。

（1）集總參數(shù)是指采用電容電感等無損耗元件對匹配電路進(jìn)行設(shè)計；

（2）分布參數(shù)是指在匹配過程中采用微帶線形式；

（3）混合參數(shù)即在匹配過程中采用電容電感和微帶線等進(jìn)行混合匹配電路設(shè)計。

因為集總參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)工作頻率較低且?guī)捿^窄，分布參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)在實際調(diào)試過程中較難調(diào)節(jié)，所以一般在匹配電路設(shè)計時采用混合參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)，本文在設(shè)計匹配電路時也采用混合參數(shù)匹配網(wǎng)絡(luò)，既容易調(diào)節(jié)又能獲得較寬的帶寬。帶寬輸出匹配電路和仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

從圖6（a）中可以得到在0.88 GHz時，S（1，1）（S（3，3）） 的 值 為 -39.289 dB，只要回波損耗小于-10 dB即可滿足要求。圖 6（b） 圖 顯 示 在 0.88 GHz時，S（2，1）（S（4，3））的值為-0.112 dB，圖中的匹配結(jié)果完全滿足設(shè)計要求，采用與確定輸出匹配相同的方法確定輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。

2.4 整體電路的優(yōu)化

在完成匹配網(wǎng)絡(luò)后， 將匹配電路以及漏極偏置和柵極偏置電路添加在晶體管兩側(cè)，組成PA總體電路。以上仿真是將所有設(shè)計的模型整合在一起初步進(jìn)行參數(shù)仿真，在仿真完成后需要對整體原理圖進(jìn)行優(yōu)化調(diào)諧以得到最優(yōu)結(jié)果。放大器優(yōu)化后電路如圖7所示。

3 版圖設(shè)計與聯(lián)合仿真

3.1 版圖制作

由電路原理圖制作其版圖，只保留電路圖中的微帶線，使電容和仿真控件等失效；查閱數(shù)據(jù)手冊，根據(jù)layout界面的封裝繪制出相應(yīng)的晶體管模型封裝；然后把繪制的模型封裝添加到版圖中，以模型封裝為中心，對輸入輸出匹配電路和偏置按照之前原理圖電路的位置排版，排版完成后的版圖如圖8所示。

3.2 聯(lián)合仿真

進(jìn)行聯(lián)合仿真的具體過程如下所示：

（1）在版圖上設(shè)計每個分立器件的封裝。

（2）將原理圖中的原件替換成繪制好版圖的器件，然后生成整個版圖。檢查布線不合理的地方并調(diào)整。

（3）新建原理圖，在版圖中加入與原理圖相對應(yīng)的器件，插入與之前原理圖仿真中相同的S參數(shù)仿真控件進(jìn)行仿真。

（4）觀察仿真結(jié)果是否達(dá)到預(yù)期，如果沒有則繼續(xù)調(diào)試。

圖6 輸出匹配電路仿真結(jié)果回波損耗與插入損耗

圖7 放大器優(yōu)化后電路圖

原理圖-版圖聯(lián)合仿真電路如圖9所示。

聯(lián)合仿真考慮了制版的布線問題與實際接地問題，得出的仿真結(jié)果更具體、更準(zhǔn)確。再次仿真得到的結(jié)果會與之前理想的仿真存在差異，還需繼續(xù)優(yōu)化調(diào)諧，最終得到的仿真結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖8 ADS中的版圖

圖9 聯(lián)合仿真電路圖

圖10所示為PA的增益仿真曲線，其增益不低于17.5 dB。圖11所示為PAE（Power Added Eff i ciency，PAE）隨輸出功率變化曲線，縱坐標(biāo)是PAE值，最大可達(dá)52.624%，橫坐標(biāo)飽和輸出功率可達(dá)41.58 dBm。由此可知，PA的仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期，這也證明了采用雙線牽引與聯(lián)合仿真方法設(shè)計功率放大器的優(yōu)越性。

圖10 增益曲線

圖11 PAE仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

本文結(jié)合雙線牽引和原理圖-版圖聯(lián)合仿真技術(shù)提出了一種高效的功率放大器設(shè)計方法。雙向牽引可以準(zhǔn)確得到最大效率和輸出功率下的最佳輸入輸出阻抗，在此前提下，采用原理圖-版圖聯(lián)合仿真方法使仿真結(jié)果更具體、準(zhǔn)確。仿真結(jié)果顯示，GP高于17.5 dB，飽和輸出功率大于41.58 dBm，PAE最高可達(dá)到52.6%。較一般的AB類PA而言，性能得到改善，并且顯著提高了設(shè)計精度和效率。