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基于负载牵引技术的射频功率放大器设计

日期:2017/9/6                                                        浏览次数:1924

       功率放大器处于通讯系统行号发射机的最末端,用来放大信号,与小信号放大器不同, 它要输出一定的功率给负载。效率是功率放大器的一个基本指标,就非恒包络调制方式而言, 包络行带有用信息,因此中要功率放大用具有一定的线性度。射频功率放大器工作在大 信号状态时,会由于晶体管的非线性而表现出较强的非线性特性,从而使得信号失真,所以小信号放大器的设计方法并不适合射频功率放大器的设计。小信号分析法的发展主要是基于线性控制理论,线性控制理论发展了一系行之有效的设计理论,这就使得小信号放大器 的设计变得简单可靠。而大信号,则是非线性控制要关注的题目,但非线性控制理论中数理 运算十指杂,没有线性控制理论那样简单直观。

  利用负载牵引技术,可以在没有大信号S参数的情况下,不断变化负载阻抗,业射频功率放大器输出功首大(或效首高)时的那个负载阻抗,即所谓的最佳阻抗。文中描述了5.2-GHz WLAN 的射频功放的设计方法,借助高频电路设计辅助软件ADS 进行负载牵引, 然后设计输出匹配网络,接着设计输进匹配网络,在此基础上进行优化。最后给出了增益、 输出功率、附有率等参数。

  1 放大电路的设计

  本次电路设计采用台积电TSMC 0.18umCMOS 工艺,放大电路如图1 所示,电路结构为差中式,采取两级放大,分别为驱动级和输出级。驱动级采用差分的共源共栅(Cascode) 结构,可以提供适当的电压增益;输出级也是差分的共源共栅结构,在提供一定的电压增益 的同时,还提供输出功率,这种结构可以进步功放输出电压的摆幅,从而降低对晶体管最大 电流能力的要求,进步功放的效率。两级之间采用的耦系容Cp 和Cn,在进步隔离度的 同时起到级间阻抗匹配的作用。电感L1p、L2p、L1n、L2n 米负载,电感Lnp 用来抵消源 极寄生电容对功放效率的影响,其中L1p、L1n 和Lnp 采用工艺库里的片下旋电感来实现, 而L2p 和L2n 采用高Q值的键合线电感实现,这样可以有效进步功放的增益。单路输进信号经输进匹配网络由巴伦转换成两路信号Vinp 和Vinn,放大后的两路信号Voutp 和Voutn 经输出匹配网络由巴伦转换成一路信号送至天线。

 

      2 负载牵引技术的应用

  负载牵引技术可以由实际丈量系统[2][3]和高频电路设计辅助软件[4]][5]两址式实现,但 是搭建一个负载牵引丈量系车本钱相当之大,而且不资现,本文采用ADS 软件对上面 所设计的功率放大器使用负载牵引(Loadpull)技术有规则的搜寻史密斯(Smith)圆图系 每个区域,确定最佳负载的阻抗值;然后设计输出匹配网络,将实际负载阻抗(通常为50Ω) 变换到最佳负载阻抗。负载牵引技术应用于功率放大器的设计。

     3 整体仿真

  输出阻抗匹配网络做完后再做输进匹配网络,将输进阻抗匹配到端口阻抗(50Ω),输进匹配网络的主要目的是要提供够高的增益,这与输出匹配网络是为了达到所要求的输出功率 不同。S 参数中S11 表征输进匹配情况,S21 表示增益,仿真结果如图4 所示,由此可以看 出输进匹配较们以益基本符合要求。最后使用增益压缩仿真,得到输进1dB 压缩点约为-9dBm,在1dB 压缩点处的输出功率以及功率附有率如图5 所示,这种结果满足指标要求。
 

     4 总结

  本文描述了5.2-GHz WLAN 的射频功率放大器的设计方法,首先设计放大电路,接着利用负载牵引技术业能使输出功首大化的最佳输出阻抗,源为依据利用ADS 软件中的Smith 圆图设计输出匹配网络,然后再做输进匹配,输进匹配目的是提供够高的增益,最后进行整体优化、仿真,得到增益、输出功率以及功率附有率(PAE)等性能参数,能够满足系统要求。

                                      (本文内容来源于网络,版权归原作者所有)
 

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