AB类射频功率放大器设计与仿真（一）：原理图设计

  射频功率放大器(RFPA)是现代通信系统中必不可少的一部分，位于发射机的末端。它的作用是将微弱的调制信号进行功率放大，使其能够通过天线馈送出去，实现远距离无线通信，具有非常重要的地位。本文将为大家介绍如何使用ADS软件设计一款工作在2.2GHz的AB类射频功率放大器。所采用的功率管为Cree的CGH40010F，下图是这个管芯数据手册的部分内容：

从中可以看到，该管芯工作频率能够达到6GHz，具有13W的饱和输出功率以及65%的饱和效率，2GHz时的小信号增益为2GHz。

一、静态工作点的确定

  结合数据手册，可以确定功率管CGH40010偏置在AB类时，VGS=-2.7V，VDS=28V，此时的漏极电流ID=200mA。在ADS中，我们也可以对其静态工作点的各项参数进行仿真，这里管芯模型的导入以及直流仿真操作方法见我的另一篇文章ADS射频功率放大器设计之功率放大器的介绍和直流特性分析这里不再赘述。下图是CGH40010F的直流仿真电路原理图：

以及仿真结果：

可以看出，当VGS=-2.7V，以及VDS=28V时，漏极电流ID=235mA，与手册中的数据基本相符。因此，可以初步确定本文射频功率放大器的静态工作点。

二、LoadPull仿真

  由于工作在大信号条件下时，负载阻抗也会影响功率放大器的输出功率以及效率，因此有必要分析不同负载阻抗对功率放大器工作状态的影响。通过负载牵引(LoadPull)仿真，可以观察不同负载阻抗对于功率放大器输出功率以及输出效率的影响。最终选择一个最优的负载阻抗，通过输出匹配网络将实际的负载阻抗匹配至最优负载阻抗，即可保证功率放大器的最佳工作状态。具体的仿真操作方法可以参考我的另一篇文章ADS射频功率放大器之LoadPull。在本文中，我们需要将工作频率设置为2.2GHz，输入功率设置为29dBm,Vhigh设置为28V，Vlow设置为-2.7V，扫描半径设置为0.9，采样点个数设置为500，其余设置保持默认即可，下图是LoadPull的仿真电路原理图：

以及仿真结果：

可以看出，饱和状态下CGH40010F能够达到75%的最大输出效率以及42.9dBm的最大输出功率。经过折中考虑，最终选择的最优负载阻抗值为18-2j，从图中可以看出，最优负载阻抗下，可以达到63%的效率输出以及42.9dB的饱和功率输出。

三、S参数以及稳定性仿真

  在设计功率放大器之前，我们可以对功率管的S参数进行仿真。同时，为了防止功率放大器在工作时产生自激振荡，我们需要在设计功率放大器之前对功率管进行稳定性仿真，以观察功率管自身的稳定性。一般来说，功率管自身是不处于绝对稳定状态的，因此需要在设计功率放大器时往往需要加入稳定性措施来保证整体电路的稳定性。进行稳定性仿真的具体方法可以参考我的另一篇文章ADS射频功率放大器设计之稳定性分析。S参数仿真电路如图所示，同时我们也可以通过这个电路进行稳定性仿真，只需要加入相对应的控件即可。

仿真结果如图：

可以看出S参数以及稳定性系数的值，同时我们发现，稳定性系数在2.2GHz时小于1，说明功率管没有处于绝对稳定的状态，因此需要在设计整体电路时考虑加入稳定性措施。

四、输入匹配网络设计

  细心的读者可能已经发现了，我们在做LoadPull仿真时，源阻抗的值设置为10欧姆，而信号源的内阻一般为50欧姆，因此需要有一个匹配网络实现50欧姆到10欧姆的匹配，这样的匹配网络可以直接作为输入匹配网络，最终的效率以及功率输出就会与LoadPull的仿真结果基本一致，本文就采取这样的方式设计输入匹配网络。也可以再做一次SourcePull，确定一个最优的源阻抗值，设计匹配网络是50欧姆的信号源内阻匹配到该阻抗值，以实现功率放大器的最佳功率以及效率输出。

  单频的匹配网络可以使用单支节结构实现，关于单支节匹配网络的设计，可以参考几种常见匹配电路的设计与仿真以及常见匹配网络的微带线实现（一）：微带单支节匹配网络设计这两篇文章。本文采用开路单支节匹配网络的结构，具体结构如图：

回波损耗仿真结果如图：

五、输出匹配网络设计

  根据第二节Loadpull的仿真结果，我们需要将实际的50欧姆负载阻抗匹配到（18-2j）欧姆的最优负载阻抗。同样，采用开路单支节匹配网络结构实现。具体电路结构如图：

仿真结果如下：

六、整体电路设计

  完成输入匹配网络、输出匹配网络等结构的设计之后，便可以开始整体电路的设计。可以直接在ADS的内置模板中进行替换，也可以将所设计好的匹配网络加入到第三节的S参数仿真电路中，并替换理想的隔直电容与扼流电感为理想电容与电感。本文使用ADS的内置模板，在任意原理图界面可以完成模板的加载，首先在任意原理图界面中点击DesignGuide->Amplifier，随后会弹出一个对话框，选择的模板如图所示：

在模板中替换功率管，加入匹配网络以及隔直电容，并修改扼流电感的值，整体电路如图所示：

设置输入功率为、仿真频率等参数后对输出功率以及效率进行仿真，仿真结果如图：

在进行一次稳定性仿真：

果然整体电路的稳定性系数也小于1，因此需要加稳定性措施，可以在输入端加入一个电阻，如图：

仿真结果如下：

仿真结果显示，加入电阻后，稳定性系数大于1，电路处于绝对稳定的状态，不会发生振荡，但同时功率放大器的增益、输出功率以及效率也受到了不同程度的影响。

七、总结

  本文完成了AB类射频功率放大器的原理图设计，最终设计出的AB类功放工作于2.2GHz，饱和输出功率为42.5dBm，饱和效率为65.7%，具有13.5dB的饱和增益以及3dB的饱和增益压缩。电路还可以进行进一步的优化以提升其性能，在此不再赘述。本文使用了理想传输线进行设计。在之后的文章中，将使用微带线代替本文功率放大器电路中的理想传输线，并进行电路版图的设计与仿真。