MRF284在功率放大器中的仿真设计与实现

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                1  引言

                         功率放大器在当前无线通信中占居极重要的地位，随着现代复杂调制技术的发展，系统要求功率放大器高线性、高效率。本文介绍了Freescale公司功率放大管MRF284在某功率放大器设计过程中的设计思路，给出了仿真结果和部分实际电路。
                          
                         功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率,在保证发信链路的增益和输出功率的前提下，同时要求有较高的线性性能和较高的效率。尽可能地提高输出功率与效率是主要设计中主要考虑的问题。
                          
                        2  选择功率放大管MRF284

                         末级功率放大级是整个功率放大器的重要组成部分，选择末级功率放大管尤为重要。末级功率放大电路可采用甲、乙类场效应管线性放大电路，甲类场效应管线性高，乙类场效应管效率高。我们选用了甲乙类LDMOS场效应管MRF284做为末级的功率管，综合考虑了在功率输出和线性的前提下，保证效率。
                          
                        3  功率放大管RMF284的仿真设计

                         运用Agilent公司ADS软件对MRF284功率放大管的进行了设计和仿真分析，给出了MRF284在某功率放大器中做为末级的直流工作点、输出功率、效率和幅频特性仿真结果。
                          
                        3.1  直流工作点分析

                         由于末级放大产生的工作电流正常情况下占据功率放大器总电流的百分之八十以上，电流的大小直接影响效率，因此，放大管直流静态工作点的设置是不容忽视的。MRF284直流分析如图1所示，根据功率放大器各项指标综合考虑，选择VDS=26 V，VGS=4.1 V，静态电流I=250 mA。
                          
                        3.2  负载牵引非线性仿真与分析

                         1）确定最优负载阻抗
                         首先，采用ROOT_MODEL功率管非线性模型，使用负载牵引法确定最优负
                         载阻抗。负载牵引仿真原理如下：
                         仿真结果将负载阻抗确定在功率附加效率等高线上，得到最大功率时的负载阻抗，由于功率放大器的工作频带较宽，匹配电路不能仅针对某个频点最佳负载阻抗进行优化，而要全频带优化。这就要求确定最佳负载阻抗时多仿真一些频点。
        仿真结果表明，在实际使用的1.4 GHz到1.8 GHz频段内，MRF284的输出功率可达到45 dBm，效率大于40%，三阶互调分量输出在间隔为5 MHz的等幅双频单音信号，单音信号功率为35 dBm时，三阶互调可达40 dBc，能够满足使用要求。
                            
                        3.3  功率放大器的电路设计与布局

                         在一个宽裕的空间中，放大器的电路设计与布局对线性和效率影响不会太大，但是在狭小的有限空间中，电路设计与布局有时甚至起到决定性的影响。本案设计中，由于频率较高，即使使用高频的高品质因素集中参数电容器也会带来严重的耗散损失，在这种情况下，必须使用较大面积的分布参数匹配，而空间大小在这种情况下就显得尤为重要。因此，在小空间的电路设计中，采用高介电常数的介质材料可以减小分布参数匹配块的体积。其次通过优化内部空间的布局和隔离、压缩电源板尺寸来增大放大电路的空间。最后通过仿真，在同等性能的条件下选择拓扑尺寸小的匹配形式。
                          
                        3.4  带偏置线的线性仿真

                         实际功率放大器中，源和负载端的电源偏置电路对整个放大电路是有影响的，电源偏置电路滤波不好，主信号就会通过偏置线路泄漏和反射，考虑了源和负载的影响后，放大器的匹配网络原理如图6所示。
                          
                         对于任何功率放大器设计，匹配电路的性能都是关键。匹配网络是用来实现阻抗变化的，对于功率放大器，匹配电路的性能影响传送到输出端的功率大小，以及它的增益、功耗和噪声。因此，功率放大器匹配网络的设计是性能达到最优的关键。在设计过程中，有一个问题常常为人们所忽视，那就是输出匹配电路的功率损耗。这些功率损耗出现在匹配网络的电容器、电感器，以及其他耗能元件中。功率损耗会降低功率放大器的工作效率及功率输出能力。因为输出匹配电路并不是一个50Ω的元件，所以耗散损失与传输增益有很大的区别。
                          
                         通过运用先进的ADS仿真平台，我们可以在电路实现之前评估方案的好坏，并且在各个关键指标之间设法取一个折中。以这种方式，我们不但能够实现最优的方案，而且可以通过仿真来分析功率损耗等棘手的难题。图7是对匹配电路的仿真结果。