基于負載牽引技術的射頻功率放大器設計

　　功率放大器處于通訊系統中信號發射機的最末端，用來放大信號，與小信號放大器不同， 它要輸出一定的功率給負載。效率是功率放大器的一個基本指標，就非恒包絡調制方式而言， 包絡中攜帶有用信息，因此又需要功率放大用具有一定的線性度。射頻功率放大器工作在大 信號狀態時，會由于晶體管的非線性而表現出較強的非線性特性，從而使得信號失真，所以小信號放大器的設計方法并不適合射頻功率放大器的設計。小信號分析法的發展主要是基于線性控制理論，線性控制理論發展了一系列行之有效的設計理論，這就使得小信號放大器 的設計變得簡單可靠。而大信號，則是非線性控制要關注的題目，但非線性控制理論中數理 運算十分復雜，沒有線性控制理論那樣簡單直觀。

　　利用負載牽引技術，可以在沒有大信號S參數的情況下，不斷變化負載阻抗，找到射頻功率放大器輸出功率最大（或效率最高）時的那個負載阻抗，即所謂的最佳阻抗。文中描述了5.2-GHz WLAN 的射頻功放的設計方法，借助高頻電路設計輔助軟件ADS 進行負載牽引， 然后設計輸出匹配網絡，接著設計輸進匹配網絡，在此基礎上進行優化。最后給出了增益、 輸出功率、附加效率等參數。

　　1 放大電路的設計

　　本次電路設計采用臺積電TSMC 0.18umCMOS 工藝，放大電路如圖1 所示，電路結構為差分形式，采取兩級放大，分別為驅動級和輸出級。驅動級采用差分的共源共柵（Cascode） 結構，可以提供適當的電壓增益；輸出級也是差分的共源共柵結構，在提供一定的電壓增益 的同時，還提供輸出功率，這種結構可以進步功放輸出電壓的擺幅，從而降低對晶體管最大 電流能力的要求，進步功放的效率。兩級之間采用的耦合電容Cp 和Cn，在進步隔離度的 同時起到級間阻抗匹配的作用。電感L1p、L2p、L1n、L2n 用作負載，電感Lnp 用來抵消源 極寄生電容對功放效率的影響，其中L1p、L1n 和Lnp 采用工藝庫里的片上螺旋電感來實現， 而L2p 和L2n 采用高Q值的鍵合線電感實現，這樣可以有效進步功放的增益。單路輸進信號經輸進匹配網絡由巴倫轉換成兩路信號Vinp 和Vinn，放大后的兩路信號Voutp 和Voutn 經輸出匹配網絡由巴倫轉換成一路信號送至天線。

　　2 負載牽引技術的應用

　　負載牽引技術可以由實際丈量系統［2］［3］和高頻電路設計輔助軟件［4］］［5］兩種方式實現，但 是搭建一個負載牽引丈量系統的本錢相當之大，而且不易實現，本文采用ADS 軟件對上面 所設計的功率放大器使用負載牽引（Loadpull）技術有規則的搜尋史密斯（Smith）圓圖上的 每個區域，確定最佳負載的阻抗值；然后設計輸出匹配網絡，將實際負載阻抗（通常為50Ω） 變換到最佳負載阻抗。負載牽引技術應用于功率放大器的設計如圖2 所示，中間的電路模塊 是在圖1 放大電路的基礎上引進了巴倫從而使得信號單端輸進單端輸出。

　　負載牽引結果如圖3 所示，同一條等高線代表的是相同的輸出功率，越趨向于中心點，輸出功率越大，最中心點為最大輸出功率，這是一個不斷收斂的過程。等高線輸出功率公式如下：

　　上式中，Pdelmax 為最大輸出功率，contour［6］是軟件中自帶的等高線函數，由此公式可以得到以Pdelmax 為中心、Pdel_step 為步進的等高線，如圖3 所示。

　　對應于最大輸出功率的負載即為最佳負載，由圖3 可知，此次設計的功率放大器的最佳負載阻抗為（39.142+j9.092）Ω

　　接下來設計輸出匹配網絡使實際負載與最佳負載形成共軛匹配，從而使輸出功率最大化，使用Smith 圓圖做匹配。

　　3 整體仿真

　　輸出阻抗匹配網絡做完后再做輸進匹配網絡，將輸進阻抗匹配到端口阻抗（50Ω），輸進匹配網絡的主要目的是要提供夠高的增益，這與輸出匹配網絡是為了達到所要求的輸出功率 不同。S 參數中S11 表征輸進匹配情況，S21 表示增益，仿真結果如圖4 所示，由此可以看 出輸進匹配較好且增益基本符合要求。

　　最后使用增益壓縮仿真，得到輸進1dB 壓縮點約為-9dBm，在1dB 壓縮點處的輸出功率以及功率附加效率如圖5 所示，這種結果滿足指標要求。

　　4 總結

　　本文描述了5.2-GHz WLAN 的射頻功率放大器的設計方法，首先設計放大電路，接著利用負載牽引技術找到能使輸出功率最大化的最佳輸出阻抗，以此為依據利用ADS 軟件中的Smith 圓圖設計輸出匹配網絡，然后再做輸進匹配，輸進匹配目的是提供夠高的增益，最后進行整體優化、仿真，得到增益、輸出功率以及功率附加效率（PAE）等性能參數，能夠滿足系統要求。