下载文档原格式
1 引言射频功率放大器是现代通信的关键设备之一，其重要性得到越来越多的重视。
当它处于基站无线收发机的最后一级时，对于基站整个性能起着十分关键的作用。
它的输出功率决定了通信距离的长短，有效覆盖面积的大小等，其效率大小影响着电池的消耗程度和使用时间[1]。
基站功率放大器要求极高的工作频率和较大的输出功率，与工作在小信号状态下的放大器在很多方面都存在不同。
在小信号放大器设计中，可以使用输入共轭匹配和输出共轭匹配等方法，而在大信号状态下工作时，由于进入非线性区，功率管的最佳负载阻抗会随着输入信号的增加而改变。
因此小信号放大器设计的一些方法和准则在功率放大器设计就不再适用。
本文采用负载牵引法来进行输入输出匹配电路的设计。
其原理是放大器在给定的一个大信号电平激励下，连续改变负载来绘制等输出功率曲线，帮助找到最大输出功率时的最佳的负载值[2]。
本文使用了Aglient公司的ADS仿真软件，运用负载牵引法设计仿真并且设计了一款基站射频功率放大器，采用的是Freescale半导体的LDMOS晶体管MRF282S。
设计参数如下：频率：2GHz；输出功率：6.5W；输出效率：>35%；三阶交调系数IMD3：<-26dBc。
2 阻抗匹配的理论基础和重要指标要实现功率放大器的最大功率传输，需要在源和负载之间插入一个无源网络来实现源阻抗和负载阻抗的匹配，称之为匹配网络。
在功率放大模块的设计中，阻抗匹配网络不合适将使电路不稳定，同时有可能出现输出功率减小、效率降低和非线性失真加大等问题。
所以我们在设计匹配网络时，不能仅仅从减少功率损耗方面来进行设计，还要使其同时满足匹配、谐波衰减、带宽、驻波、线性度及实际尺寸等多项要求。
通常认为，匹配网络的用途就是将给定的阻抗值变换成更合适的阻抗值，可以通过集总参数元件或者分布参数元件来实现。
2.1 集总参数元件匹配集总参数元件匹配是指用电容、电感和电阻等分立元件组成的匹配网络，易于分析，适合GHz频段的低端以及更低的频段使用。
![毕业设计(论文)-基于ads的微波低噪声放大器的仿真设计[管理资料]](https://img.taocdn.com/s1/m/4a3b8925b9f3f90f77c61b2e.png)
毕业设计（论文）题目基于ADS的微波低噪声放大器的仿真设计所属院(系) 物电学院专业班级电子1201姓名学号：指导老师完成地点物电学院实验室2016年6月5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﹚题目基于ADS的微波低噪声放大器的仿真设计二、毕业论文﹙设计﹚工作自 2016 年 2 月 20 日起至 2016 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：(LNA)广泛应用于微波接收系统中,是重要器件之一,主要用来放大低电平信号,由于是自天线下来第一个进行信号处理的器件,LNA决定了整个系统的噪声性能和电压驻波比VSWR,，往往需要对驻波比和噪声性能参数指标进行处理。
那么如何对这两个性能参数进行处理就成为低噪声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对微波低噪声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能力。
其具体要求如下：1、分析微波低噪声放大器的各项参数；2、查找相关资料并翻译相关的英文资料；3、设计一微波低噪声放大器，根据所选器件,设计相应偏置电路；4、设计输入输出匹配电路，并利用仿真软件ADS对设计进行仿真验证。
进度安排:2月20日─3月1日：查阅资料、完成英文资料翻译并准备开题报告3月2日─4月1日：熟悉软件的使用并提交开题报告4月2日─5月1日：完善开题报告、研究微波低噪声放大器的理论设计方法、并建立偏置电路和匹配电路，进行期中检查。
5月2日─5月30日：利用软件建立微波低噪声放大器模型并进行仿真验证，准备验收。
6月1日─6月10日：撰写毕业设计论文并提交论文6月11日─6月15日：毕业设计答辩。
毕业设计应收集资料及参考文献:[1]低噪声放大器(LNA)[J].通信技术,2016(01)[2][D]电子科技大学，2009.[3][D]广东工业大学，2013.[4]. 2006.[5].[6] 射频功率放大器的研制[D].指导教师系 (教研室)系(教研室)主任签名批准日期接受论文 (设计)任务开始执行日期学生签名基于ADS的微波低噪声放大器的仿真设计学生：（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1201班级，陕西汉中 723000）指导老师：[摘要]低噪声放大器用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路,低噪声放大器也主要面向移动通信基础设施基站应用。
2.4G 射频双向功放电路设计在两个或多个网络互连时，无线局域网的低功率与高频率限制了其覆盖范围，为了扩大覆盖范围，可以引入蜂窝或者微蜂窝的网络结构或者通过增大发射功率扩大覆盖半径等措施来实现。
前者实现成本较高，现。
前者实现成本较高，而后者则相对较便宜，且容易实现。
而后者则相对较便宜，且容易实现。
而后者则相对较便宜，且容易实现。
现有的产品基本上通信距离都现有的产品基本上通信距离都比 较小，而且实现双向收发的比较少。
本文主要研究的是距离扩展射频前端的方案与硬件的实现，通过增大发射信号功率、放大接收信号提高灵敏度以及选择增益较大的天线来实现，同时实现了双向收发，最终成果可以直接应用于与IEEE802.11b/g 兼容的无线通信系统兼容的无线通信系统 中。
双向功率放大器的设计双向功率放大器的设计双向功率放大器设计指标：双向功率放大器设计指标：工作频率：2400MHz ～2483MHz 最大输出功率：+30dBm （1W ）发射增益：≥27dB接收增益：≥14dB接收端噪声系数：< 3.5dB 频率响应：<±<±1dB 1dB 输入端最小输入功率门限：<?15dB m 具有收发指示功能具有收发指示功能具有电源极性反接保护功能具有电源极性反接保护功能根据时分双工TDD 的工作原理，收发是分开进行的，因此可以得出采用图1的功放整体框图。
图。
功率检波器信号输入端接在RF 信号输入通道上的定向耦合器上。
当无线收发器处在发射状态时，功率检波器检测到无线收发器发出的信号，产生开关切换信号控制RF 开关打向发射P A通路，LNA电路被断开，双向功率放大器处在发射状态。
当无线收发器处在接收状态时，功率检波器由于定向耦合器的单方向性而基本没有输入信号，这时通过开关切换信号将RF通路断开，此时双向功率放大器处在接收状态。
开关切换到LNA通路，P A通路断开，此时双向功率放大器处在接收状态。
基于ADS的射频功率放大器仿真设计1.引言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放的研究过程。
射频功放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，无线通信系统需要设计性能优良的放大器。
而且，为了适应无线系统的快速发展，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采用了不同调制类型和多载波信号，射频工程师为减小功放的非线性失真，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Agilent ADS 软件进行电路设计可以掌握设计电路的性能，进一步优化设计参数，同时达到加速产品开发进程的目的。
功放（PA）在整个无线通信系统中是非常重要的一环，因为它的输出功率决定了通信距离的长短，其效率决定了电池的消耗程度及使用时间。
2.功率放大器基础2.1功率放大器的种类根据输入与输出信号间的大小比例关系，功放可以分为线性放大器与非线性放大器两种。
输入线性放大器的有A、B、AB类；属于非线性放大器的则有C、E 等类型的放大器。
（1）A类：其功率器件再输入信号的全部周期类均导通，但效率非常低，理想状态下效率仅为50%。
（2）B类：导通角仅为180°，效率在理想状态下可达到78%。
（3）AB类：导通角大于180°但远小于360°。
效率介于30%~60%之间。
（4）C类：导通角小于180°，其输出波形为周期性脉冲。
理论上，效率可达100%。
（5）D、E类：其原理是将功率器件当作开关使用。
设计功放电路前必须先考虑系统规格要求的重点，再来选择电路构架。
对于射频功放，有的系统需要高效率的功放，有些需要高功率且线性度佳的功放，有些需要较宽的操作频带等，然而这些系统需求往往是相互抵触的。
例如，B、C、E类构架的功率放大器皆可达到比较高的效率，但信号的失真却较为严重；而A类放大器是所有放大器中线性度最高的，但它的最大缺点是效率低，这些缺点虽然可以用各种Harmonic Termination 电路的设计技巧予以改进，但仍无法提高到与高效率的功放相当的水平。
2007年全国微波毫米波会议论文集1248微波超线性功率放大器的设计张娟，延波，陈睿电子科技大学电子工程学院，成都（610054）摘要：本文设计并仿真了应用于W-CDMA基站的25W的超线性功率放大器，将前馈技术应用于对功率放大器进行线性化，结果表明此前馈功放输出能达到43.9dBm，约有50dB的高增益以及－71.5dBc的三阶交调系数。
在主功率放大器输出功率和增益基本不变的前提下，其三阶交调系数提高了47dB，线性度得到很大的改善。
关键词：W-CDMA，超线性，功率放大器，前馈Design of Microwave Ultra-Linear PowerAmplifierJuan Zhang，Bo Yan，Rui ChenSchool of Electronic Engineering, UESTC, Chengdu（610054）Abstract: In this paper, a 25 watt ultra-linear power amplifier using feedforward technique operating in the W-CDMA base-station has been developed. The simulation result shows that high output power level over 43.9dBm, high gain over 50dB and high linearity have been achieved. Its measured third-order intermodulation distortion (IMD) is -71.5dBc, which is 47dB greater than there is no linearization technique. It proves the foundation of the theories and a reference price of the project for getting a greater IMD. Keywords: W-CDMA, ultra-linearity, power amplifier, feedforward1 引言近年来，无线通信事业在全世界范围内蓬勃发展，无线通信设备的用户，特别是无线手机用户迅速增长。
射频功放设计步骤（思路）本文将对射频功放电路的设计过程进行简要地介绍，以便初涉射频功放开发的同仁参考。
第一步，制定设计方案在进行射频功放设计时，我们首先要根据给定（或需要）的技术指标和功能指标制定设计方案。
制定设计方案的主要依据是指标要求中的增益、额定输出功率、线性度（ACPR/IMD）、载波数、功耗/效率等指标。
1.在GSM及LTE基站系统中，由于对线性度要求不是很高或者额定输出功率不是很大，且在单载波情况下工作，所以我们选择传统的射频功放设计方案——功率回退法（高功放HPA）。
构成HPA放大器一般有两种工作状态：A类及AB类工作状态。
A类放大器具有良好的线性放大性能，其三阶交调产物与输出功率的变化关系是：输出信号功率减小3dB（即减小一半功率），则三阶交调产物改善6dB。
一般来讲，A类放大器在1dB压缩点输出时，三阶交调系数约为－23.7dB (通常取－20dB)。
为了达到一定的线性，并考虑到工程问题，A类放大器需回退15dB，此时放大器的三阶交调抑制可以达到－45～－50dBc。
然而使用A类放大器的最大缺点是效率低及成本较高。
这是因为A类放大器在它的1dB压缩点输出功率时，其效率只有10％。
比如，完成一个30W平均输出功率的HPA，就需要至少有300W的耗电，并且工作电流随输出功率变化的值不大。
若考虑回退12dB，则需要有480W平均功率输出，需耗电4.8kW。
为了达到30W的输出功率需要用较多的功率管。
这样就加大了HPA的成本和体积，增大了研制成本和难度。
为了避免这个问题，建议在小功率放大器(平均功率输出≤5W)设计中使用A类放大器；在中大功率放大器(平均功率输出>5W)设计中使用AB类放大器。
AB类放大器的特点是效率高、成本低。
由于单管的输出功率高，仅需少量的功率管即可做到较高的输出功率，所以成本较低，且散热和结构设计可以简单化。
目前用在AB类的管子主要选LDMOS管，AB类放大器用最大包络功率PEP来描述其功率容量，类似A类的1dB压缩点。
基于双向牵引与EM仿真的GSM基站功率放大器设计郑玉鑫，李 魁，夏体慧，南敬昌（辽宁工程技术大学 电子与信息工程学院，辽宁 葫芦岛 125105）摘 要：为提高全球移动通信系统中基站功率放大器的效率，文中采用双向牵引技术和电路图-原理图联合仿真设计了一款工作频率为880 MHz 的AB 类功率放大器。
仿真结果增益高于17.5 dB ，饱和输出功率为41.58 dBm ，功率附加效率为52.6%。
与普通AB 类的PA 仿真相比，文中方法既保证了良好的设计性能，缩短了产品设计周期，又显著提高了仿真的精确性及效率。
关键词：双向牵引；EM 仿真；功率放大器；增益中图分类号：TP39；TN722.75 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）11-0026-05————————————————收稿日期：2018-06-19 修回日期：2018-07-05基金项目：国家自然科学基金（61701211）；辽宁省高校重点实验室项目（LJZS007）；辽宁省特聘教授项目DOI ：10.16667/j.issn.2095-1302.2018.11.0060 引 言GSM （Global System for Mobile Communcation ，GSM ）系统是移动通信中最为经典的系统，全球超200个国家和地区超10亿人正在使用GSM 电话[1]。
在GSM 移动通信系统中，通过基站完成信号传输。
功率放大器（Power Amplifier ，PA ）[2]作为基站中最重要且最耗能的元件，其性能将直接影响系统性能[3]。
基站功率放大器的输出功率[4]越高，通信距离就越长且有效覆盖面积会越大[5]，其效率决定了电池的使用时长[6]。
因此对基站中功率放大器的研究具有很强的实用价值和经济价值。
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[7]。
本文采用CREE （科锐）公司设计生产的CGH40035F 射频结栅场效应晶体管，在安捷伦公司的Advanced Design System （ADS ）仿真平台上，设计了一款可以工作在880 MHz 的GSM 基站功率放大器。
设计采用双向牵引技术以准确得到放大器最大效率和输出功率下的最佳输入输出阻抗[8]。
在此基础上，应用Advanced Design System 仿真软件中的三维平面电磁仿真器Momentum ，设计产生精准的EM （Electromagnetic ）模型[9]，主要通过模拟具有物理意义的布局元件，将版图元件的物理效应纳入考虑范围，得到高精度的仿真结果[10]。
1 放大器理论分析功率放大器的设计要保证在其工作频段内具有稳定性，同时也要满足所需功率并尽可能提高增益指标，具有较好的功率放大能力。
为防止放大器产生自激，需要先对射频放大器进行稳定性分析以确定其稳定工作的条件。
匹配电路的设计使射频PA 的输入、输出功率达到最佳功率匹配，这也是射频PA 的重要任务。
双向牵引法是目前已存在的仿真方法中较为准确的方法，可以采用双向牵引法获得最佳输入阻抗。
联合仿真考虑到版图在工程中的接地问题，可以获得更为真实的仿真结果。
后文主要阐述了双向牵引及联合仿真的相关理论及方法。
1.1 双向牵引理论双向牵引技术相比一般的牵引技术，具有准确得到最大效率和输出功率下最佳输入输出阻抗的优点。
双向牵引框图结构如图1所示。
图1 双向牵引框图结构采用双向牵引得到最佳输入输出阻抗的过程如下：（1）首先利用ADS 自带的Load-pull 和Source-pull 模块进行负载牵引和源牵引，得到最佳基频阻抗Z Load0和Z Source0。
（2）把得到的Z Source0代入其中，即固定Z Source0不变，继续进行负载牵引，得到Z Load1；接着进行源牵引，固定Z Load1不变，得到Z Source2。
（3）如此循环，得到最终的输入输出阻抗值。
一般在此设计过程中，只需进行2～3次牵引即可得到结果。
1.2 联合仿真较一般的原理图仿真而言，原理图-版图联合仿真能够提高放大器设计的准确性，使仿真结果具有更高的实用价值。
与原理图相比，版图考虑了实际布线，而原理图电路在进行仿真时未考虑分立器件如何分布以及走线分布参数等问题[11]。
513 mA ，满足数据手册中的要求。
图2仍旧根据CREE 公司给出的数据手册设计AB 类功放，固定V DS 为-2.8 V ，扫描直流电流为513 mA ，满足设计要求。
图2中V DS =28 V ，I DS =513 mA ，V GS =-2.8 V 即为所获得的静态工作点。
为了使功率管在频率范围内稳定工作，特在输入端增加一个有耗元器件，在隔直电容后串联一个小电阻，发现其稳定性得到明显提高。
图2 直流特性曲线2.2 双向牵引法确定输入输出阻抗确定最佳输入输出阻抗是提高PA 效率及输出功率的关键。
通常情况下，高频信号源的输出阻抗和晶体管的输入阻抗并不匹配，信号源一般为50 Ω，晶体管则是几欧到几十欧。
信号源和晶体管中间加入输入电路，作为阻抗变换，从而获得阻抗匹配。
本文采用双向牵引技术得到最佳输入输出阻抗，如图3、图4所示。
经过双向牵引得到的最佳输入输出阻抗见表1所列。
图3 负载牵引电路及仿真结果表1 最佳输入输出阻抗最佳输入阻抗最佳输出阻抗阻抗值/Ω9.414-j4.711.372-j8.7342.3 匹配电路的设计一般匹配电路有三种形式，即集总参数、分布参数和混合参数。
2.4 整体电路的优化在完成匹配网络后， 将匹配电路以及漏极偏置和栅极偏置电路添加在晶体管两侧，组成PA 总体电路。
以上仿真是将所有设计的模型整合在一起初步进行参数仿真，在仿真完成后需要对整体原理图进行优化调谐以得到最优结果。
放大器优化后电路如图7所示。
3 版图设计与联合仿真3.1 版图制作由电路原理图制作其版图，只保留电路图中的微带线，使电容和仿真控件等失效；查阅数据手册，根据layout 界面的封装绘制出相应的晶体管模型封装；然后把绘制的模型封装添加到版图中，以模型封装为中心，对输入输出匹配电路和偏置按照之前原理图电路的位置排版，排版完成后的版图如图8所示。
3.2 联合仿真进行联合仿真的具体过程如下所示：（1）在版图上设计每个分立器件的封装。
（2）将原理图中的原件替换成绘制好版图的器件，然后生成整个版图。
检查布线不合理的地方并调整。
（3）新建原理图，在版图中加入与原理图相对应的器件，插入与之前原理图仿真中相同的S 参数仿真控件进行仿真。
图4 源牵引电路及仿真结果（4）观察仿真结果是否达到预期，如果没有则继续调试。
图6 输出匹配电路仿真结果回波损耗与插入损耗版图联合仿真电路如图9所示。
联合仿真考虑了制版的布线问题与实际接得出的仿真结果更具体、更准确。
再次仿真得到的结果会与之前理想的仿真存在差最终得到的仿真结果如图10和图11所示。
图8 ADS 中的版图图9 联合仿真电路图图10所示为PA 的增益仿真曲线，其增益不低于17.5 dB 。
图11所示为PAE （Power Added Efficiency ，PAE ）随输出功率变化曲线，纵坐标是PAE 值，最大可达52.624%，横坐标饱和输出功率可达41.58 dBm 。
由此可知，PA 的仿真结果达到图7 放大器优化后电路图图5 输出匹配电路预期，这也证明了采用双线牵引与联合仿真方法设计功率放大器的优越性。
图10 增益曲线图11 PAE 仿真结果4 结 语本文结合双线牵引和原理图-版图联合仿真技术提出了一种高效的功率放大器设计方法。
双向牵引可以准确得到最大电子工业出版社，2005.[3]艾渤，杨知行，潘长勇，等.高功率放大器线性化技术研究[J].微波学报，2007，23（1）：62-70.[4]陈小群.射频功率放大器与微带电路设计[D].西安：西安电子科技大学，2009.[5]崔庆虎.基于ADS 的基站射频功率放大器的设计与仿真[D].郑州：郑州大学，2012.[6]陈艳华，李朝辉，夏玮.ADS 应用详解：射频电路设计与仿真[M].北京：人民邮电出版社，2008.[7]倪涛.无线通信基站中的功率放大器研究[D].合肥：中国科学技术大学，2010.[8]南敬昌，王艳强，方杨.基于双向牵引技术的反向Doherty 功率放大器设计[J].激光杂志，2014，35（8）：69-73.[9]郭香华.微波混合集成宽带低噪声放大器的设计[D].成都：电子科技大学，2009.[10]徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].北京：电子工业出版社，2013.[11]方国军.相参雷达目标模拟系统中的宽带射频接收技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2012.[3]胡少青.多模全球卫星导航系统天线研究[D].成都：电子科技大学，2016.[4]田印炯.多模卫星导航终端天线的研究[D]. 杭州：杭州电子科技大学，2014.[5]陶金锋.多模卫星导航系统天线设计[D]. 北京：北京邮电大学，2011.[6] FU L ，LIU Z G ，CAO J ，et al. Design of a multi-system circularly-polarized square microstrip patch antenna for GNSS navigation devices[J].Proceedings of 2014 3rd asia-pacific conference on antennas and propagation （APCAP 2014），2014：476-479.[7] SHI N JAE YOON ，PAR K CHONG HWAN ，WOO JONG MYUNG.Design of microstrip antenna for satellite navigation system jamming[J].Journal of positioning ，navigation ，and timing ，2018，7（1）：37-42.[8]李运志，袁子伦，李军.多模GNSS 天线技术研究与设计[J].中国科学：物理学 力学 天文学，2011（5）：564-567.[9]商锋，刘一江.多模导航系统的接收天线的设计[J].西安邮电大学学报，2014，19（6）：62-65.[10] JU Z Z ，LI Y Q ，JIANG Y J ，et al.Research on circularlypolarization microstrip antenna for miniaturized Beidou navigation system[Z].Modern electronics technique ，2014.[11] XU Z ，MA H ，WANG J ，et al. Dual-band dual-polarizedmicrostrip antenna for compass navigation satellite system[J].Progress in electromagnetics research C ，2014，46（30）：25-30.[12]张更，王威，霍小宁，等.小型化四馈点多模导航天线设计[J].空间电子技术，2017（6）：85-88.[13] YUAN H Y ，ZHANG J Q ，QU S B ，et al.Dual-band dual-polarized microstrip antenna for compass navigation satellite system[J].Progress in electromagnetics research C ，2012：213-223.[14]刘美佳.多模卫星导航系统接收天线研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.[15] MARTYNYUK S Y ，VASYLENKO D O ，DUBROVKA F F ，etal. Novel microstrip antenna array for anti-jam satellite navigation system[J].Radio electronics and communications systems ，2015，58（3）：97-106.作者简介：张平川（1968—），男，河南省舞阳人，河南科技学院副教授。
