基于ADS的多级功率放大器设计与仿真

摘要：对北斗卫星导航射频模块的发射部分进行了分析和研究。介绍了BG2416CX芯片在北斗导航中的应用，并基于RNC2416CX芯片的设计方案，设计并仿真其功率放大器模块。完整地阐述了采用ADS设计工具完成各部分电路的方法，其设计结果优于设计目标，为后期进一步研究北斗导航系统和自主设计北斗导航系统发射部分芯片奠定了基础。
关键词：北斗卫星导航系统；功率放大器；ADS；发射机；负载牵引

0 引言
    北斗卫星导航系统是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统，是除美国的全球定位系统、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，与GPS和GLONASS相比，北斗导航系统增加了通信功能，用户终端可以进行双向报文通信。为此，北斗射频模块中除接收机外，其射频前端还必须包含发射机电路。其发射部分将本机的短信息经过调制、上变频和放大后形成大功率的L波段射频信号，再通过天线发送给卫星。
    本文对发射机射频前端结构进行了简要的分析，介绍了RNC2416CX芯片在北斗导航系统中的应用。并基于RNC2416CX芯片的设计方案，设计并仿真其功率放大器模块。本设计利用ADS软件完成了各个部分电路的设计，利用Load-pull、Source-pull相结合的技术，Momentum技术等解决功率放大器设计中的输入输出匹配网络的难点。

1 北斗导航射频模块发射部分
    射频模块的发射部分可采用如图1所示的电路结构方案，它主要由ALC基带放大器、低通滤波器、第一上变频器、中频带通滤波器、APC中频放大器、第二上变频器、锁相频率合成器、高稳定基准源、射频带通滤波器、射频功率放大器等单元电路组成。

    BG2416CX是一款用于“北斗一代”卫星导航系统的射频收发芯片，集成了接收通道、发射通道及相应的频率综合器。该芯片实现了北斗终端射频模块的单片化，只需要片外少许器件即可实现北斗一代的射频收发功能，大大减小了产品体积，降低了系统成本。其发射通道输出功率为-10～5 dBm，1 dB压缩点输出功率为10 dBm。由于系统要求功放的输出功率为5 W，因而需要外接功放。

2 功率放大器设计
2．1 设计指标
    频率范围：1 610～1 622 MHz；增益大于等于47 dB；驻波比小于等于1．5：1；输入功率：-10～5 dBm；输出功率大于等于37 dBm；功率附加效率大于等于34％。
2．2 设计思路
    根据设计指标中对增益的要求，单级放大器不能实现预定的功率增益指标，必须采用多级放大器。因此，没计中输出级采用了飞思卡尔公司MRFG35010AN，驱动级采用了瑞萨电子的NE651R479A，增益级采用了Hittite公司的HMC413QS16G。具体分配指标结构图如图2所示。

2．3 直流偏置电路的设计
    偏置网络是所有射频电路不可或缺的电路单元，其作用是为有源器件提供适当的静态工作点，并抑制晶体管参数的离散性以及温度变化的影响，从而保证电路稳定的工作特性。
    输出级采用飞思卡尔公司的MRFG35010AN，使其工作在AB类工作状态，AB类功率放大器的优点是输出功率较大，同时有较高的效率，线性比较好，工作温度较低，因而可靠性也高。因此其偏置点确定在：VDS=11V，IDS=0．554 A，VGS=-0．64 V。第二级驱动级的偏置点确定在：VDS=5 V，VGS=-0．64 V。
    直流偏置电路的设计采用1／4λ分支线法：用一段1／4λ的高阻抗(通常选择200～300 Ω)传输线，与1／4λ低阻抗线构成。在仿真过程中用理想的大电感来替代，这样设计可以起到射频扼流圈的作用，稳定直流馈电的目的。
2．4 稳定性分析
    放大器电路必须满足的首要条件是在所有的频段内满足绝对稳定的条件。绝对稳定是指在电路所处于的偏置条件下，放大器在整个频率范围内始终都处于稳定状态，即同时满足：
    稳定性因子：
   
    辅助稳定性因子：
   
    式中△=S11S22-S12S21。
    使系统稳定的措施有很多种。其中最简单的是在其不稳定的端口增加一个串联或并联的电阻。而功放的目的是得到大的输出功率，在管子输入部分加入稳定性电路虽然降低了系统的增益，但是不影响输出功率。

    输出级的稳定性采用在管子输入端口串联电阻的方法来使电路稳定，如图3所示。对于稳定性，当稳定性因子K>1时，最大资用功率增益满足：
   
    所以，只有稳定性因子K=1．05时，系统得到的增益在实际电路中会最接近最大稳定性增益。
    第二级驱动级的晶体管工作频率范围内也不稳定，采用负反馈和在管子输入部分串联电阻的方法解决其稳定性问题。
2．5 匹配网络设计
2．5．1 源、负载牵引法确定阻抗
    应用于大功率放大器设计匹配网络的方法主要有以下几种：大信号S参数法、动态阻抗法和Load-Pull，Source-Pull综合使用的方法。为了得到最大的输出功率，兼顾效率，所以这里采用Load-Pull，source-Pull综合使用的方法来寻找最佳的外部负载阻抗和源阻抗，从而完成设计匹配网络的任务。

    首先，进行Load-Pull仿真，仿真结果如图4所示。综合附加功率效率和输出功率，得出负载最佳阻抗为4．477-j3．033。根据该负载阻抗值，采用分布参数和集总参数混合的方法设计输出匹配网络。其次，将设计好的输出匹配网络加入到Source-Pull仿真的电路中，进行Source-Pull仿真，仿真结果如图5所示。从而得出最佳的源阻抗为1．764-j1．720。用与输出匹配网络同样的方法设计好输入匹配网络。
2．5．2 Momentum法设计匹配网络
    Mothentum是ADS中的三维电磁仿真器，它可以计算出微带线等的电测特性，以及电路板上的寄生和耦合效应。其功能很强大而且实用，利用它进行版图原件和原理图原件的协仿真，可以把版图中的各种耦合和寄生效应在电路设计中得到整合，其设计匹配网络如图6所示。根据源、负载牵引法确定阻抗，出色地完成了匹配网络的设计。

    用同样的设计方法和流程，设计出驱动级的匹配网络。

3 功率放大器仿真及结果
    后两级的增益约为25 dB，为了得到设计指标的47 dB增益的要求，还需要选择一个增益在22 dB左右的增益级。根据指标分析，可以选用MMIC来完成这一设计，最终选用Hittite公司的HMC413QS16G。通过以上的设计，最后将三级进行级联仿真，如图7所示。

    仿真结果如图8所示，可以得到49．67 dB的小信号增益；S11和S22都小于-15 dB，因而驻波比优于1．5：1。单音输入的谐波仿真结果如图9所示。

    由图9可知，在输入功率为-10 dBm时，该电路输出功率为38．06 dBm，小信号增益为48．06 dB，功率附加增益为40．6％，1 dB压缩点在38．20 dBm。双音谐波平衡仿真结果如图10所示，可计算出OIP3≈58 dBm。仿真结果总体优于设计要求。

4 结语
    本次设计对功率放大器设计过程和结果进行了分析，在ADS环境中进行了电路的调试和仿真，应用了源、负载牵引技术与Momentum技术相结合的方法设计了关键的匹配网络，其测试的结果全面优于设计目标，这次的设计为进一步研究北斗导航射频前端起到了重要的作用。