一种基于ADS仿真的射频放大器设计方法*

牛吉凌，康弘俊

(中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041)

一种基于ADS仿真的射频放大器设计方法*

牛吉凌，康弘俊

(中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041)

针对当前无线通信系统研发周期缩短、研发费用节省的需要，EDA设计工具越来越被电子技术研究的各领域所采用。以EDA中的ADS软件为设计工具，通过具体设计步骤的展示，描述了一种基于ADS仿真的射频放大器设计方法，具有积极的指导意义。在设计过程中，着重注意增益、三阶交调、稳定性等参数。最后列举了实例，说明了该设计方法的可行性。

功率放大器;ADS;EDA设计

0 引 言

无线通信正在经历快速发展的过程,射频系统作为无线通信的重要组成部分，其设计的关键性不言而喻。射频电路的设计需要考虑的参数有很多，例如分布参数、电磁兼容、器件之间的相互影响等，所以如何设计好一个性能优越、功能全面的射频系统，成为了射频工程师面临的一个严峻挑战。

功率放大器(简称功放)是射频系统的核心组成部分，对它设计的好坏直接影响到射频系统、甚至整机的性能优劣[1]。如何才能对各类功放进行良好的设计，根据实际情况更改条件进行优化，缩短设计周期，这就可以通过依托计算机辅助软件来实现。

本文将采用ADS(Advanced Design System)辅助设计软件，对功率放大器进行仿真设计，旨在提供一种利用ADS设计软件对功放进行设计的步骤和方法，从而优化和加速设计功放的周期。同时一些功放器件厂家也提供了支持EDA工具软件的功放仿真模型，这对使用计算机辅助软件进行设计，提供了有力支持。

ADS是美国Agilent公司推出的电路和系统分析软件，可实现包括时域和频域、数字和模拟等多种仿真，范围涵盖小至器件，大到系统级的仿真设计。其大大提高了设计效率，是非常优秀的微波电路和系统信号链路的设计工具，也是全球业界流行的EDA设计工具。

1 射频放大器的重要设计参数

功率放大器的优劣，主要根据其重要指标参数的好坏来判定。所以在使用ADS软件来设计、仿真功放时，应当注意如下几个重要设计参数。

1.1 增益

功率放大器的增益定义为放大器的输出功率与输入功率的比值，单位为dB，其表达式为：

1.2 增益平坦度

功率放大器的增益平坦度是指在工作频率的范围内，功率放大器增益的最大值Gmax和最小值Gmin的差值，可以表示为：

1.3 三阶交调

三阶交调信号的幅度与基波信号的幅度之比。一般情况下用分贝表示，如下式表示:

上式中的A0为有用信号(基波)的幅度，AIM3为三阶交调分量的幅度。图1可以直观的表示出三阶交调的意义。

图1 射频放大器的三阶交调

1.4 稳定性

射频放大器的稳定性通常用稳定系数K来表示，如下式所示：

其中S11、S12、S21、S22为射频放大器的S参数。当K<1时，射频放大器处于有条件稳定状态；当K>1时，射频放大器处于绝对稳定状态。

2 如何使用ADS及设计步骤

本节将展示以ADS为工具，设计一个功率放大器的具体步骤。选取freescale(飞思卡尔)公司的MW6S010N功放芯片，其资料给出的典型应用电路为900 MHz频率和450 MHz频率。在本节具体展示使用ADS设计放大器的具体步骤时，将进行频率扩展[2-4]，使其工作频率为825～835 MHz和870～880 MHz。

第一步，将厂家提供的功放管模型导入ADS中。功放管模型可以从厂家的官网上进行下载，如图2所示。

图2 功放管模型在ADS中

第二步，确定功放管的静态工作点。一般厂家提供的功放管资料中，只给出了漏极工作电压和电流。但是通过仿真，就可以确定初步的栅极电压值。图6是功放管的静态电流仿真电路，通过扫描栅极电压VGS，可以得到对应的电流值。从仿真结果中可以看到：当栅极电压为2.69 V时，漏极工作电流为125 mA，与厂家资料中的漏极电流值相当。

图3 静态电流仿真电路及结果

第三步，以器件资料上的典型电路为参考拓扑结构，设计放大器的初始匹配电路，如图4所示。在825～835 MHz和870～880 MHz的频段内，如果采用集总元件进行匹配，仿真可以得到很好的结果，但是在实际的电路中考虑到高频特性，集总元件很难保证电路的实际特性。所以本节考虑到实际中的情况，最终选择了微带线匹配方式。

图4 放大器的匹配电路原理

左侧是输入电路，包括输入匹配和栅极供电。其中栅极电压的初始值是2.69 V，这在上一步中已经得到。

右侧是输出电路，包括输出匹配和漏极供电。

在这个初始电路上，设计师可以灵活、快捷的进行“调试”，包括增加、删减匹配电路，调整匹配器件的参数值，改变栅极电压等内容。同时也可以设置优化目标，使用ADS设计软件的优化功能，来完成电路的“调试”[5-7],得到满足设计目标的功率放大器。

图5 优化目标控件

图5为优化目标控件。通过控件中的参数值来设置优化目标。Expr表示需要进行优化的参数，例如输入S(2,1)，就表示对放大器的增益进行优化。SimInstanceName表示仿真的类型，例如SP表示S参数仿真。Min和Max表示需要将S(2,1)优化到的范围。Weight表示在仿真中该优化目标的权重，该值越大，优先级就越高。

第四步，完成上一步匹配电路的“调试”后，就可以进行性能指标的仿真了。稳定性、输出端口驻波值、增益平坦度、谐波抑制度和线性度的结果如下。

图6是MW6S010N放大器的稳定系数和输出端口的仿真结果。可以看到稳定系数K在工作频率范围内大于1，电路不会出现自激等不稳定现象。输出端口驻波比小于1.37，表明被反射的能量小。

(a)稳定系数仿真结果

(b)输出端口驻波

图7是放大器在工作频带内的增益特性。可以看到，整个放大器的增益在17 dB到18 dB之间，即增益平坦度为±0.5 dB，性能良好。

图7 增益特性仿真结果

图8是放大器谐波抑制度的仿真结果。输出功率为40 dBm。从仿真结果可以看到，在825～835 MHz和870～880 MHz频段的谐波抑制度分别为24 dBc和26 dBc，性能较好，表明放大器在工作时对高频的辐射影响较小。

(a)830 MHz信号的谐波情况

(b)875 MHz信号的谐波情况

线性度指标是衡量放大器优劣的一项重要指标，一般都应当在28 dBc以上。从图9可以看到，在825～835 MHz和870～880 MHz频段的线性度分别为35 dBc和43 dBc，性能良好。

(a)825 MHz～835 MHz的三阶交调

(b)870 MHz～880 MHz的三阶交调

上述几位使用ADS进行功率放大器的设计步骤。ADS软件还提供了进一步设计开发的工具，即Momentum仿真，通过菜单命令【Layout】→【Generate/Update Layout】即可进入[8]。

3 实 例

为说明该方法的可行性，将列举下面的例子。该放大器采用了Freescale公司的MRF2240功放管。仿真原理如图10所示。

实测与仿真的结果对比如表1所示(功率输出同为5瓦的情况下进行比较)。

表1 结果对比

可以看出基于ADS仿真的射频功率放大器设计方法，具有可行性。

4 结 语

本文结合射频功率放大器的性能指标，使用ADS的强大功能，向大家展示了一种使用ADS进行功率放大器设计的方法。设计过程中，对稳定性、增益、线性度等指标进行了分析。可以看出，在前期采用ADS工具进行电路设计可以掌握电路的性能，优化电路设计，同时达到加速产品开发进程、节省研发费用的目的，这在行业中已经成为一种常用的方法。需要注意的是，功率放大器的研发还包括后期实物的调试，在整个产品开发周期中须着重注意以下几点：

1)匹配电路的设计。合适的匹配电路可以提升放大器的性能。

2)放大器的稳定性，确保无自激现象。

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[2] He Bo-song, Xu Ning, Zhu Jun-fan. CDMA RF linear power amplifier[J]. The Journal of Electronics & information Technology,2002,24(8)：140-142.

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CHEN Chao, ZHANG Yu-Zhao. Design of LNA(Low Noise Amplifier) in Digital Walkie based on ADS Simulation[J]. Communications Technology, 2013, 46 (05):123-126.

[8] 常数茂.用ADS进行功率放大器仿真设计[J].西安邮电学院学报,2010，15(01)：82-85. CHANG Shu-mao. Using ADS for the Simulation Design of Power Amplifier[J]. Journal of Xi’an University of Posts and Telecommunications, 2010, 15(01):82-85.

术语百科Technical Terms

移动目标防御

移动目标防御(MTD，Moving Target Defense)，是美国国家科学技术委员局(NITRD)在2010年提出的针对网络安全的“game-changing”的三项关键技术之一。网络攻防花费的极度不对等是MTD提出的最主要驱动力，MTD的主要思想是摒弃以构建无缺陷防御系统的方式维护网络安全性，而代之以构建、评价、部署开发出一种多样的或持续随时间无规律变化的机制来提升对于网络攻击的复杂度和花费，从而限制漏洞的外泄以及攻击的成功率。MTD技术的实现方式在数据层面有指令集和地址空间的随机性和数据随机化等；在软件层面有实时编译和软件多样化等；在网络层面有网络和主机身份随机性、地址路由和IP安全协议可变等；在运行平台层面有虚拟化和负载迁移技术等手段。通过上述机制或策略，MTD致力于在网络的各个层面构建一种动态的、异构的、不确定的网络环境，以此极大增加网络攻击者的攻击难度，从而反转攻防双方的攻守形势。

近年来，在MTD技术的研究过程中取得了很多新进展，具体包括对于变形网络、自适应计算机网络、自清洗网络以及移动目标IPv6防御等研究。尽管如此，仍然存在着许多待解决的问题，例如虚拟基础设施的安全性；虚拟环境中的系统移植的安全和弹性技术；动态改变和配置系统或网络的手段；动态防御中安全的量化及潜在威胁的处理；提高安全性能与降低网络开销等。

A Method of Design RF Amplifier with ADS Software Simulation

NIU Ji-ling，KANG Hong-jun

(No.30 Institute of CETC, Chengdu Sichuan 610041,China)

Aiming at the demand of shortened research period and retrenched research charge in the field of wireless communication system, EDA design tools are increasingly adopted in various research fields of electronic technology. By taking EDA tool-ADS software as the design means and with MW6SD/DN MOSFET,the design of RF power amplifier in the frequency of CDMA base station is accomplished.The design example shows that how the ADS tool is used,and the parameters of gain,intermodulation and stability should be heavily concerned in the design process.Simulation also indicates that the performance parameters of the amplifier circuit is completely satisfiable to the design goal,this is very useful to the design of RF power amplifier.

power amplifier; ADS; EDA design

date:2014-10-20；Revised date：2015-02-25

TN91

A

1002-0802(2015)04-0489-06

牛吉凌(1984—)，男，硕士，工程师，主要研究方向为电路与系统、射频微波等;

康弘俊(1977—)，男，硕士，高工，主要研究方向为无线通信系统等。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.04.021

2014-10-20；

2015-02-25