基于功率放大管MRF284的應(yīng)用設(shè)計(jì)和仿真分析

1 引言

功率放大器在當(dāng)前無線通信中占居極重要的地位，隨著現(xiàn)代復(fù)雜調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)要求功率放大器高線性、高效率。本文介紹了Freescale公司功率放大管MRF284在某功率放大器設(shè)計(jì)過程中的設(shè)計(jì)思路，給出了仿真結(jié)果和部分實(shí)際電路。

功率放大器的主要技術(shù)指標(biāo)是輸出功率與效率，在保證發(fā)信鏈路的增益和輸出功率的前提下，同時(shí)要求有較高的線性性能和較高的效率。盡可能地提高輸出功率與效率是主要設(shè)計(jì)中主要考慮的問題。

2 選擇功率放大管MRF284

末級(jí)功率放大級(jí)是整個(gè)功率放大器的重要組成部分，選擇末級(jí)功率放大管尤為重要。末級(jí)功率放大電路可采用甲、乙類場(chǎng)效應(yīng)管線性放大電路，甲類場(chǎng)效應(yīng)管線性高，乙類場(chǎng)效應(yīng)管效率高。我們選用了甲乙類LDMOS場(chǎng)效應(yīng)管MRF284做為末級(jí)的功率管，綜合考慮了在功率輸出和線性的前提下，保證效率。

3 功率放大管RMF284的仿真設(shè)計(jì)

運(yùn)用Agilent公司ADS軟件對(duì)MRF284功率放大管的進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真分析，給出了MRF284在某功率放大器中做為末級(jí)的直流工作點(diǎn)、輸出功率、效率和幅頻特性仿真結(jié)果。

3.1 直流工作點(diǎn)分析

由于末級(jí)放大產(chǎn)生的工作電流正常情況下占據(jù)功率放大器總電流的百分之八十以上，電流的大小直接影響效率，因此，放大管直流靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置是不容忽視的。MRF284直流分析如圖1所示，根據(jù)功率放大器各項(xiàng)指標(biāo)綜合考慮，選擇VDS=26 V，VGS=4.1 V，靜態(tài)電流I=250 mA。

3.2 負(fù)載牽引非線性仿真與分析

1）確定最優(yōu)負(fù)載阻抗

首先，采用ROOT_MODEL功率管非線性模型，使用負(fù)載牽引法確定最優(yōu)負(fù)

載阻抗。負(fù)載牽引仿真原理如下：

仿真結(jié)果將負(fù)載阻抗確定在功率附加效率等高線上，得到最大功率時(shí)的負(fù)載阻抗，由于功率放大器的工作頻帶較寬，匹配電路不能僅針對(duì)某個(gè)頻點(diǎn)最佳負(fù)載阻抗進(jìn)行優(yōu)化，而要全頻帶優(yōu)化。這就要求確定最佳負(fù)載阻抗時(shí)多仿真一些頻點(diǎn)。

圖1 RMF284靜態(tài)工作點(diǎn)分析

圖2 負(fù)載牽引原理圖

2）最佳輸出能力

預(yù)先設(shè)置好實(shí)際使用的工作頻率、功率和效率，非線性仿真得到最佳輸出能力如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 輸出功率和諧波分量功率圖

圖4 工作頻帶內(nèi)的效率

圖5 放大器互調(diào)分量

仿真結(jié)果表明，在實(shí)際使用的1.4 GHz到1.8 GHz頻段內(nèi)，MRF284的輸出功率可達(dá)到45 dBm，效率大于40%，三階互調(diào)分量輸出在間隔為5 MHz的等幅雙頻單音信號(hào)，單音信號(hào)功率為35 dBm時(shí)，三階互調(diào)可達(dá)40 dBc，能夠滿足使用要求。

3.3 功率放大器的電路設(shè)計(jì)與布局

在一個(gè)寬裕的空間中，放大器的電路設(shè)計(jì)與布局對(duì)線性和效率影響不會(huì)太大，但是在狹小的有限空間中，電路設(shè)計(jì)與布局有時(shí)甚至起到?jīng)Q定性的影響。本案設(shè)計(jì)中，由于頻率較高，即使使用高頻的高品質(zhì)因素集中參數(shù)電容器也會(huì)帶來嚴(yán)重的耗散損失，在這種情況下，必須使用較大面積的分布參數(shù)匹配，而空間大小在這種情況下就顯得尤為重要。因此，在小空間的電路設(shè)計(jì)中，采用高介電常數(shù)的介質(zhì)材料可以減小分布參數(shù)匹配塊的體積。其次通過優(yōu)化內(nèi)部空間的布局和隔離、壓縮電源板尺寸來增大放大電路的空間。最后通過仿真，在同等性能的條件下選擇拓?fù)涑叽缧〉钠ヅ湫问健?/p>

3.4 帶偏置線的線性仿真

實(shí)際功率放大器中，源和負(fù)載端的電源偏置電路對(duì)整個(gè)放大電路是有影響的，電源偏置電路濾波不好，主信號(hào)就會(huì)通過偏置線路泄漏和反射，考慮了源和負(fù)載的影響后，放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)原理如圖6所示。

對(duì)于任何功率放大器設(shè)計(jì)，匹配電路的性能都是關(guān)鍵。匹配網(wǎng)絡(luò)是用來實(shí)現(xiàn)阻抗變化的，對(duì)于功率放大器，匹配電路的性能影響傳送到輸出端的功率大小，以及它的增益、功耗和噪聲。因此，功率放大器匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是性能達(dá)到最優(yōu)的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)過程中，有一個(gè)問題常常為人們所忽視，那就是輸出匹配電路的功率損耗。這些功率損耗出現(xiàn)在匹配網(wǎng)絡(luò)的電容器、電感器，以及其他耗能元件中。功率損耗會(huì)降低功率放大器的工作效率及功率輸出能力。因?yàn)檩敵銎ヅ潆娐凡⒉皇且粋€(gè)50Ω的元件，所以耗散損失與傳輸增益有很大的區(qū)別。

通過運(yùn)用先進(jìn)的ADS仿真平臺(tái)，我們可以在電路實(shí)現(xiàn)之前評(píng)估方案的好壞，并且在各個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)之間設(shè)法取一個(gè)折中。以這種方式，我們不但能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的方案，而且可以通過仿真來分析功率損耗等棘手的難題。圖7是對(duì)匹配電路的仿真結(jié)果。

圖6 放大器的匹配網(wǎng)絡(luò)原理圖

圖7 功率放大器的輸出仿真結(jié)果

圖8 實(shí)物照片

4 實(shí)測(cè)結(jié)果

仿真電路進(jìn)行微帶轉(zhuǎn)換后制作在介電常數(shù)ε=9.6，厚度h=0.8mm的復(fù)合介質(zhì)片上。簡(jiǎn)單調(diào)試后進(jìn)行測(cè)試，功率放大器在實(shí)際使用的1.4 GHz到1.8GHz頻段內(nèi)，輸出功率為43dBm，三階互調(diào)分量輸出在間隔為5 MHz的等幅雙頻單音信號(hào)，單音信號(hào)功率為35dBm時(shí)，三階互調(diào)為38dBc，與仿真結(jié)果基本吻合，多臺(tái)功放微帶電路的一致性也很好，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足使用要求。

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