基于ADS的MESFET功率放大器设计
基于ADS 的MESFET 功率放大器设计
蔡钟斌 周邦华
(中国工程物理研究院电子工程研究所 绵阳 621900)
收稿日期:2003-09-22 收修改稿日期:2003-11-24
文 摘 提出一种在无法获取器件大信号模型条件下采用小信号法设计功率放大器的方法。在此基础上,借助
A gilent A DS 软件采用小信号设计、
提取器件的封装寄生参数、优化结合的方法设计了一个M ESFET 功率放大器。主题词 功率放大器 小信号 M ESFET AD S
前 言
在工程实际中,许多器件厂商并不提供大信号器件模型,通常只提供器件的小信号S 参数和静态IV 曲线。功率放大器本质上是大信号器件,因为它们工作在功率饱和点附近,处于非线性区。然而,在大多数情况下,设计者进行有源器件仿真时,只有测量的小信号S 参数。在采用小信号法之前,从器件的静态IV 曲线决定大信号的负载阻抗(R L ),它是器件漏极端对输出匹配电路所呈现的阻抗。通过这种方法,设计者可以优化输出电路,获得最大的射频功率输出,同时,也可以优化输入电路,获得最好的输入匹配和最大的增益。一般,为获得最大输出功率而采用失配的方法,故输出匹配性能较差。输出电路是匹配到R L 而不是器件的S 22。小信号设计技术有其局限性,虽然输出电路可以保证最大饱和功率输出,但不能保证最大的线性功率,这意味着不能直接计算输出功率1dB 压缩点,也不能直接获得放大器的双音交调特性(如IM R 3、
IMR 5、IP 3、IP 5)。为了估算这些重要的参数,设计者需要依靠测量或者经验公式。MESFET 放大器设计中
两个重要的经验公式是
[3]P 1dB ≈P s t -1dB
P IP3≈P 1d B +10dB
1 小信号法设计步骤
小信号法设计流程图示于图1。
图1中,优化输出电路匹配到R L ,这
个条件可以获得最大功率输出。
使用器件的小信号S 参数仿真优
化增益和输入匹配电路、利用器件的
IV 曲线确定R L 。R L 是为了获得最大
功率输出的器件内部漏极终端。要获得最大射频功率的输出阻抗可以通过测量来确定,也可以通过器件静态IV 特性来确定。仅根据输出功率要求和漏-源电压也能够直接计算R L 。负载牵引特性表明除了纯实部负载阻抗R L 外,当考虑反射时,有必要并联一个C ds 。优化输出电路的目的是为了获得最大功率,因此有必要确定封装器件的寄生元件,因为这些元件是整个输出匹配网络的一部分。获取封装参数一般有以下四种方法:元器件厂商提供;直接测量;EM 封装定模;从器件的S 参数中提取。在以上方法中,直接测量是比较困难的,而EM 封装定模要求进行全波EM 仿真。从器件的小信号S 参数提取则是一个直接的、容易实现的方法,它可以借助CAD 技术进行优化仿真。
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2 采用ADS 进行功率放大器设计的实例
作为一个实例,下面用小信号法结合ADS 工具设计一个1.8GH z 甲类M ESFET 功率放大器。其步骤如下:
根据要求选择富士通的FLL 351ME 管子,该管子在增益达11dB 时能够提供+35dBm 的输出功率。
根据FLL351ME 的IV 特性曲线可得下列各参数[2]
。
v bias =10V
v s =1.8V
I d ss =1.2A
R L =2(v bisas -v s )1.2I dss =11.4 M ESFET
输出电路模型
在优化输出电路到R L 时,把器件其他端口的输出电路元件
作为输出匹配网络的一部分。器件C d s 的和所有漏、源极的封装元
件必须包括在输出匹配电路中。封装寄生元件通过器件的小信号
S 参数提取。当然,对于管芯(或者hy br id 、M M IC )这些封装参数
可以忽略。M ESFET 输出电路模型图示于图2。
!电路仿真
首先在ADS 中创建原理图仿真,在后数据处理时计算小信号增益、输入、输出匹配、隔离度、稳定系数等;其次通过优化改善性能。仿真框图和初始仿真结果分别示于图3和图4
。
图3 ADS
环境中的仿真原理图
图4 仿真结果
从图4可以看出小信号增益、输出匹配、输出匹配等性能:增益接近于10dB;输入、输出匹配中心频率稍微大于1.8GHz 。可以预见,当输出匹配到R L 时,输出匹配性能将变差。
?提取寄生参数
使用封装GaAs M ESFET 设计功率放大器要考虑封装寄生元件的影响[1]。在输出匹配电路中这点尤其重要,因为匹配的到器件负载阻抗R L 的电路不仅仅是测量的S 参数,它还包括寄生元件。在ADS 中提取寄生参数的电路图及仿真优化结果示于图5。
?45?第25卷第3期基于ADS 的MESFET 功率放大器设计
图5 提取寄生参数的原理图和结果ADS 优化后的结果表明,测量值和定模值
基本吻合。
#输出匹配设计
为获得匹配到R L 的最大RF 功率输出电
路,初步的仿真S 11性能较差。输出电路匹配在
19 左右,并没有匹配到R L ,需要在ADS 中优
化。仿真电路图示于图6。
通过使用ADS 优化器调整输出电路元件
值,输出匹配得到较好的改善。输出电路匹配到
11.9 。图7为最终S 11的仿真结果。由图7可
知,S 11靠近-15dB,这表明已较好地匹配到R L
了。
3 小 结
在没有大信号模型的条件下,利用小信号
法进行MESFET 功率放大器的设计仿真是比
较理想的。应用ADS 电路仿真软件,在进行电
路仿真、优化、参数提取等方面得到了较好的结
果。用小信号法设计的后续阶段还要用经验公
图6 进一步优化仿真图
式估算P 1d B 和交调特性。
参考文献
1 A g ilent Eeso f.Custom er Education and
A pplicat ions .
2 富士通1997年微波半导体手册.
3 王惠功.非线性微波毫米波电路分析设计.北京邮电
出版社,
1990.图7 最终S 11的仿真结果
MESFET Power Amplifier Design Based on
ADS Software Fool
Cai Zho ngbin Zho u Banghua
Abstract A method using small sig nal appr oach to design
pow er a mplifier w it ho ut a lar ge sig nal dev ice model is
presented.W ith t he help o f A DS so few ar e to ol,ext racting
packag e par asitic par ameter s and simulating the o peration,a
M ESF ET pow er amplifier is achiev ed .
Subject terms P ow er amplifier Small signal M ESF ET
A DS [作者简介]
蔡仲斌 1977年生,硕士研究生,主要从事微波电路设计研究。
周邦华 1954年生,研究员,主要从事微波技术和再入遥测技术方面的研究。?46?遥 测 遥 控2004年5月