ADS仿真功率放大器实例学习笔记

ADS仿真功率放大器实例学习笔记

PA设计参数
设计参数如下：

• 频率：960MHz
• 输出功率：40W
• 输入功率：1W
• 效率：＞40%
• 电源电压：28V

选用的功率管MRF8P9040N的主要指标：

• 频率：700~1000MHz
• 电源电压：28V
• 输出功率：40W
• 增益：19dB

1. DesignKit的安装

这里需要两个同时包含2个model kit压缩包，一个是MRF8P9040管子的压缩包， 一个是管子本身模型，另一个是功率管模型。下载链接如下：
https://www.nxp.com/webapp/sps/download/license.jsp?colCode=MRFE6VP6600N_MDL_ADS
https://www.nxp.com/products/rf/rf-high-power-models/models-for-ads-keysight-advanced-design-system:RF_HIGH_POWER_MODELS_KEYSIGHT
这是需要和ADS的版本相对应的，比如我这里是ADS2016版本，必须用2016版本的model kit和RF power，不然会报错。

安装DesignKit，新建一个工程，命名为“PA_work“，解压MRF8P9040N_MDL_ADS，步骤如图



同样的步骤将RF_POWER_ADS2017p1p9_DK解压安装到这个文件夹下。

出现这样就证明已经安装好了。

2. 直流扫描

新建一个原理图，命名为“bias“，插入模板，选择“ads_templates: FET_curve_tracer”模板，插入到原理图中

放入MRF8P9040N_MDL_ADS模型，如图所示，用线连接起来

设置扫描参数，


进行仿真，查看结果

因为是AB类的功放，所以选取Vgs = 3.2V，静态工作电流Ids = 312mA，和DataSheet中的数据相近。

3. 稳定性分析

新建原理图，命名为“STAB“，插入S参数扫描模板，按照下图连接原理图，并设置好扫频参数

进行仿真，查看结果

从结果中可以看出，在700~1000MHz频率内，稳定系数都大于1，功率管在整个带内稳定。
如果稳定系数小于1，即功率管在整个带内不稳定，需要采取稳定性措施。常见的稳定性措施有：在输入端增加一个有耗的元器件；或在靠近功率管的引脚处并联一个电容，然后并联一个小电阻接地等。

4. Load-Pull

插入Load-Pull模板


将自带的元器件模型删除，加入MRF8P9040模型，如图所示

设置参数，确定Load-Pull 的负载阻抗，双击Set these values中的Var Eqn控件，如图

MRF8P9040的增益约为19dB，输出功率为40W（46dBm），输入功率约为27dBm，为了找到更大的输出功率阻抗点，选择28~29dBm作为输入功率

双击“Var Eqn“控件，从DataSheet中已知MRF8P9040的输出阻抗比较小，所以将圆图归一化的阻抗设置为5Ω，然后设置好圆心和半径进行负载牵引仿真，寻找合适的阻抗点。（输出功率大于40W，效率大于60%），这个过程需要反复修改圆心和半径。
注意：在仿真的过程中，如果把仿真的区域设置过大，会出现不收敛，解决的办法是降低归一化阻抗（原来是50Ω），并把仿真的区域半径减小，这么做的目的都是让仿真的区域变小。最终选取的变量如图。

在仿真的结果中，为了更好地观察，将设置为以下值


从结果来看，输出的功率为47dBm，效率为66.32%，满足设计要求。
在设计时，为了输出更大的功率，一般取功率圆圆心的阻抗来设计。双击m2的图框，在Format，在右下角归一化阻抗Z0的下拉框中选择“…other“选择，改为归一化阻抗为5Ω。

这时，m2的阻抗值为Load-Pull负载的阻抗点，即输出阻抗约为2.9+j*1.32 Ω。

5. Source-Pull

插入Source-Pull模板


将自带的元器件模型删除，加入MRF8P9040模型，如图所示

设置参数，确定Source-Pull 的负载阻抗
双击Set these values中的Var Eqn控件，如图

MRF8P9040的增益约为19dB，输出功率为40W（46dBm），输入功率约为27dBm，为了找到更大的输出功率阻抗点，选择28~29dBm作为输入功率。

双击“Var Eqn“控件，从DataSheet中已知MRF8P9040的输出阻抗比较小，所以将圆图归一化的阻抗设置为5Ω，然后设置好圆心和半径进行负载牵引仿真，寻找合适的阻抗点。（输出功率大于40W，效率大于60%），这个过程需要反复修改圆心和半径。
注意：和Load-Pull一样，进行源牵引的区域不能太大，否则也会引起不收敛。由于输出匹配没有代入到源牵引中，所以找到的源牵引数据只是大概值。对于一般的功率管，隔离度S12比较好（20dB以上），所以输出匹配不会影响输入的匹配，因此可以不管输出匹配而进行Source-Pull仿真。
最终选取的变量如图。

在仿真的结果中，为了更好地观察，将设置为以下值


从结果来看，输出的功率只有45dBm，效率为38%，但对于初期设计而言，源牵引只需找出大概的圆心即可。
双击m2的图框，在Format，在右下角归一化阻抗Z0的下拉框中选择“…other“选择，改为归一化阻抗为5Ω

这时，m2的阻抗值为Source-Pull负载的阻抗点，即输出阻抗约为5.9-j*5.3 Ω

6. Smith圆图匹配

输出匹配电路

将50Ω匹配到ZL的共轭：2.9-j*1.32Ω，新建原理图outmatch，搭建如图所示的电路图，并设置好扫频范围和源阻抗
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打开smithchart，进行阻抗匹配设置

打开Q圆，设置如下

设置好后，从负载端开始匹配
并联一个电容3.3pF
串联一段微带，特性阻抗为50Ω，电长度为25°
并联一个电容9pF
串联一段微带，特性阻抗为50Ω，电长度为9°
并联一个电容16pF
串联一段微带，特性阻抗为8Ω，电长度为40°

从图中可以看出，在匹配的过程中，都是在Q=1.5的圆内，没有超过圆外。保存文件为OUTMATCH，单击Build ADS Circuit按钮生成子电路。
进行仿真，查看结果

查看子电路


并进行仿真，查看结果，在误差允许的范围内，认为是相同的。
生成symbol模型
添加端口，并且将S参数控件，以及端口Term1、Term2失效，如图





由于输出端的匹配50Ω是接在右边的，为了方便后续的设计，所以将这个模型关于Y轴对称操作。如图

输入匹配电路

将50Ω匹配到Zs的共轭：5.9+j*5.3Ω，新建原理图inmatch，搭建如图所示的电路图，并设置好扫频范围和源阻抗

打开smithchart，进行阻抗匹配设置

打开Q圆，设置如下

设置好后，从负载端开始匹配
并联一个电容3.3pF
串联一段微带，特性阻抗为50Ω，电长度为30°
并联一个电容6pF
串联一段微带，特性阻抗为10Ω，电长度为26.5°

从图中可以看出，在匹配的过程中，都是在Q=1.5的圆内，没有超过圆外。保存文件为INMATCH，单击Build ADS Circuit按钮生成子电路。
进行仿真，查看结果

查看子电路

转换成微带线

并进行仿真，查看结果，在误差允许的范围内，认为是相同的。
生成symbol模型
添加端口，并且将S参数控件，以及端口Term1、Term2失效，如图

7. 偏置的设计

偏置的设计主要是利用到短路短截线的输入阻抗Zin = Z0*tan（BL），其中，Z0是微带线特性阻抗，BL是电长度。在此，选取微带宽度为1mm（输出的偏置主要考虑微带宽带可承受的电流）、特性阻抗约为65.6Ω的微带，并且取窄带设计960MHz的1/4波长为47.4mm。
新建原理图bias_design，搭建如图所示原理图

运行仿真，查看结果，在“Trace Options”对话框中的“Complex Data Format“选项中选择“Real/Imaginary”。


生成symbol模型
添加端口，并且将S参数控件，以及端口Term1、Term2失效，如图

8. 原理图S参数仿真

新建原理图SCH1，搭建如下图所示电路

进行仿真，查看结果

生成symbol模型，和上面的步骤类似

这个symbol图是经过调整后的

9. 原理图HB仿真

在SCH1原理图中，单击DesignGuide—Amplifier，选择如图所示的模板，加入MRF8P9040模型，如图所示


设置频率，漏极电压和栅极电压

设置好谐波次数（次数为3次）

设置扫描计划“SWEEP PLAN“

将隔直电容和扼流电感短路掉

进行仿真，查看结果




从结果可以看出，输出1dB压缩点约为46dBm（40W）,增益大概为18dB，效率约为53%，这些数据和DataSheet的数据接近。
以上是ADS仿真功率放大器的实例，因个人知识有限，这里重点关注ADS仿真放大器的设置流程，如有错误之处，请指正。