射频放大电路的优化及仿真

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引 言 在无线通信飞速发展的今天，射频设计具有举足轻重的作用，而放大电路是几乎所有无线通信系统的必备环节。由于工作频率的日益提高，模拟和数字电路设计工程师们正在不断地开发和改进电路，用于无线通信的模拟电路是在GHz波段，高性能的计算机、工作站以及PC机所用电路的时钟频率不断地增加，全球定位系统载波频率在1 227.60 MHz和1 575.42 MHz范围，个人通信系统中用的低噪声放大器工作在1.9 GHz，并可安装在比硬币还小的电路板上，在C波段的卫星广播包括4 GHz上行和6 GHz下行系统。随着无线通信的快速发展，更紧凑的放大器、滤波器、振荡器和混频器电路正被设计出来并交付使用。通常这些电路的工作频率高于1 GHz。这个设计过程不仅要有独特性能的技术装置，而且要专门设计解决在常用的低频系统中没有遇到过的问题。“放大”是无线通信系统中发射机、接收机中普遍存在并且发挥重要作用的一个环节。下面将以实际的1900 MHz放大电路(AMP1900)为例，对其进行多方面的仿真，并加入匹配网络进行优化，从而得到改善的射频放大电路。2 交流仿真、S参数仿真和调谐仿真是完成射频设计的一个有力手段，按照最优化的电路图制作实际电路，显然是最高效的。首先给出放大电路AMP1900中用到的子电路BJTpkg：

该电路为考虑寄生参量的放大器子电路，beta为他的一个参数，在上层电路中，默认beta值为160。预置电压Vaf为50，E.B漏电流Isc为0.02e-12;端口B、C、E分别标识为Num2，1，3;C1，C2均为120 fF;L1，L2，L3均为320 pH，其中L1阻值0.01 Ω;BJT1即采用BJTM1模型。在上述子电路基础上建立1.9 GHz初始放大电路(加入匹配网络前)如图2所示。

其中：仿真频段为100 MHz～4 GHz，步长10 MHz;SRC2中设置电压为5 V;终端Term1，Term2分别标识为Num1和Num2，阻抗均为50 Ω;Q1中beta值采用默认的160;DC_Block1，DC_Block2电容值为10 pF;DCFeed1，DC_Feed2均为120 nH;Rb，Rc阻值分别为56 kΩ和590 Ω。运行电路仿真，对传输参数和反射参数数据绘图并做标记如图3所示，从图中可以看出，增益曲线比较平坦，泄漏也适当，但阻抗并未匹配。

利用ADS调谐功能，加入匹配元件L和C并多次改变参数值，得到输入及输出端匹配网络的电路如图4所示，电路性能在图 5中给出。


                          
                       
                          
                                考察图3中的S11数据，并联一个电容C将把标记点朝50Ω恒定电阻圆图靠近，一个串联电感可使其沿50 Ω圆朝Smith chart圆心移动。选择的L，C值要使电路无损耗地通过1 900 MHz。3 最优化处理通过在原理图中引入最优化控制器和优化目标，可以得到最优化的匹配网络。这里优化目标设置S11最大值为-10 dB，频率范围1 850～1950 MHz，对于S22进行类似设置。启动元件最优化处理，设置L优化范围是1～40 nH，C优化范围为0.01～1 pF。优化处理完成后匹配网络的元件参数值被自动替换为最优值，为电感添加电阻。最终得到放大电路如图6所示。

考察图3中的S11数据，并联一个电容C将把标记点朝50Ω恒定电阻圆图靠近，一个串联电感可使其沿50 Ω圆朝Smith chart圆心移动。选择的L，C值要使电路无损耗地通过1 900 MHz。3 最优化处理通过在原理图中引入最优化控制器和优化目标，可以得到最优化的匹配网络。这里优化目标设置S11最大值为-10 dB，频率范围1 850～1950 MHz，对于S22进行类似设置。启动元件最优化处理，设置L优化范围是1～40 nH，C优化范围为0.01～1 pF。优化处理完成后匹配网络的元件参数值被自动替换为最优值，为电感添加电阻。最终得到放大电路如图6所示。

图6中元件参数设置：仿真频段100 MHz～4 GHz，步长10 MHz;SRC2中设置电压为5 V;终端Terml，R1分别标识为Num1和Num2，阻抗均为50 Ω;Q1中beta值采用默认的160;DC_Block1，DC_Block2电容值为10 pF;DC_Feed1，DC_Feed2均为120 nH;Rb，Rc阻值分别为56 kΩ和590 Ω。匹配网络中，L_match_in为18.3 nH&12 Ω，C_match_in为0.35 pF，L_match_out为27.1 nH&6Ω，C_match_out为0.22 pF。同样对最优化电路运行S参数仿真，可以得到接近理想的电路性能如图7所示。

4 结 语改善射频系统的性能，必须首要改进其各个功能部件的性能指标。比较图3和图7可以明显看到该放大电路性能的提升，这对于最大功率传输、抑制回波损耗等具有显著的改进作用。软件仿真是提高工作效率的一条捷径，诸如 ADS等高频仿真设计软件提供了可靠的设计依据，对射频系统设计也是必不可少的助手。按照上述优化结果制作出实际的放大电路模块，利用矢量网络分析仪进行测量，其S参数等各项指标均与仿真效果基本吻合。在笔者应用中，加入了该放大电路的无线通信发射机、接收机系统运行稳定，同时具有较强抗干扰性能。