功放仿真模块硬件和射频工程师.docx

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功放仿真模块硬件和射频工程师

技术文件

技术文件名称:

ADS功放仿真模块

技术文件编号：

版本：

V1.1

共13页

（包括封面）

拟制侯晓华

审核

会签

标准化

批准

深圳市中兴通讯股份有限公司

目录

一仿真目的3

二关键技术3

三模块功能介绍4

3.1直流工作点仿真5

3.2工作点温补系数6

3.3温补后工作点的温度特性6

3.4功放管P1dB点的Loadpull仿真7

3.5功放管单音Loadpull仿真7

3.6功放管双音Loadpull仿真8

3.7完整电路的单音仿真9

3.8完整电路的双音仿真10

3.9包络仿真10

四仿真与实测的对比11

五、后记12

功放仿真模块

一仿真目的

一直以来，功放的设计都是无线通讯系统中的设计难点，特别是在CDMA系统中，由于对功放线性的要求，使得设计工作量很大。

在传统的设计中，主要依靠大量的试验和设计人员对功放的理解和经验，即Cut＆Try的方式。

而新接触功放设计的人员主要依靠“以师带徒”的学习方式，导致成长过程的缓慢。

还有一个问题就是在功放的测试过程中，很多参数不易测量或是测量需要大量的人力和时间，比如功放交调失真的相位测量。

同时，目前公司大量使用的功率器件为LDMOSFET（LateralDiffusedmetallicoxidesemiconductorfieldeffecttransistor）器件，该器件的一个显著特点就是工作点会随着温度飘移，进而大大的影响功放的指标，因此工作点的温度补偿技术也一直是功放设计的重点与难点。

随着技术的发展，射频电路的器件模型、仿真技术和仿真软件日渐成熟，电路的仿真工作也做的越来越多。

在公司的模快化库中就有利用ADS仿真设计低噪声放大器的模块，但是关于功放仿真的还是一片空白。

本模块将提供一个功放ADS仿真的一个通用方法，使用时只需将相应的参数调整，即可得到功放电路的基本电流电压参数，然后使用ADS强大的后处理函数，即可得到任何想得到的参数，如输入输出阻抗、电流效率、增益、交调（包括幅度和相位）等。

如果应用功率器件的电热模型（ElectroThermalModel），则可模拟温度变化对整个电路的参数指标的影响，从而可方便的得到温度的补偿系数。

采用ADS强大的统计分析功能，还可以方便的分析器件的离散性对功放指标的影响。

本模块重点在功放管的直流工作点及其输入输出阻抗的分析。

二关键技术

该平台使用的基本技术为负载牵引（LoadPull）技术，该技术的核心思想是在功放管处于一定的状态下，给它一个负载，来考察其行为（即测量感兴趣的电参数）。

如果给它一系列的负载，则得到一系列的测量结果，然后据此选择我们认为最好的一个负载，作为设计的依据。

这实际上是一种枚举方法。

其精度主要取决于模型的精度。

目前市场上有一种设备，如Maury的ATS（AutomatedTunerSystem）系统就是用硬件实现LoadPull技术的设备。

ADS仿真与ATS系统的比较如下：

1、在精度方面，ADS仿真主要依靠模型的精度，ATS主要依靠测量的精度；

2、在速度方面，ADS速度很快，能在短时间内得到大量的数据，而ATS的阻抗调整依靠机械调整，速度很慢；

3、在数据量方面，ADS可以根据自己的需要，灵活方便的得到任意想要的参数，ATS依靠测量仪器的功能；

4、在经济方面，如果已有ADS软件，则仿真只需要人力成本，但ATS非常昂贵。

在器件的模型方面，目前公司使用的大功率微波放大管基本上均是Motorola的LDMOS器件，且Motorola提供大部分器件的ADS仿真模型，可以直接使用。

在精度方面，仿真的结果当然还不能与实际的完全一致，但是还是具有很强的指导性。

同时，采用仿真加深认识，得到一些方向性的结论也是仿真的初衷之一。

在ADS软件说自带的例子中，有关于LoadPull的实例，在2003A版本中，还有一个内置的LoadPull的模块，可以直接使用。

比较起来，这些已有的实例和模块不能有效的完成所需仿真。

本模块除了将其模块化之外，主要在下面几个方面进行了修改：

1、增加了器件的工作点温补系数的仿真，直接在仿真结果中给出所需的温补系数；

2、除了单音的LoadPull仿真外，本模块重点添加了双音LoadPull仿真和P1dB点的LoadPull仿真，便于分析器件的线性；

3、本模块通过调整算法，重点考察器件在相同的输出功率电平上的特性差异，而已有实例或模块考察的是相同输入电平下特性的差异，此时由于输出电平不一致，可比较性不强；

4、在结果输出方面，本模块经过调整，将CDMA基站用功放设计中感兴趣的所有指标均明确集中输出，一目了然。

如果用户需要其他的参数，亦可通过ADS的后处理函数方便的得到；

5、使用集中参数设计输入输出匹配网络，使得可以方便仿真匹配后电路的所有特性；

6、增加了包络仿真的内容，分析其在特定的调制信号下的特性。

本模块以IS95信号为例进行说明。

改变信号源及部分仿真参数，可以方便的得到GSM、CDMA2000、WCDMA等其他信号的包络仿真特性。

由于功放的负载阻抗是一个复数，将其按照某些参量进行扫描时，则在Smith园图上呈现为一个区域的分布。

这个复数的变量选取不一样，则其在Smith园图上的分布也有区别，图2.1为负载按照不同的轨迹变化时在Smith园图上的分布。

从左到右其变量依次为：

阻抗的实部虚部、阻抗的幅度相位、反射系数的实部虚部和反射系数的幅度相位。

所有这些阻抗分布的具体区域均需要指定该园图的特性阻抗。

由图2.1可见，这四种负载阻抗的遍历方式的不同，造成其在园图上的分别的均匀程度也大有差别，处于均匀性及管子实际阻抗范围的考虑，选用反射系数的实部虚部作为变量较为妥当。

同时，由于园图是园的，为了能够靠近边缘，故经过改造，得到如右图2.2所示的阻抗分布图，其阻抗的范围由3个变量确定：

园图特性阻抗Z0，阻抗园心在园图上反射系数s11_center和这个园的半径s11_rho。

其中离散点的数目可以任意确定。

三模块功能介绍

下面具体介绍本模块的功能及使用步骤，给出一般性的结果。

如果有其他要求，可在此基础上修改。

本模块提供的是一个功率放大器的器件级ADS仿真模块，可以根据器件的非线性模型（一般由厂家提供），得到该器件的所有线性和非线性参数，包括直流参数。

仿真内容主要有以下9类：

1、直流工作点仿真：

给出给定工作电压和静态电流时其偏置电压值；

2、工作点的温度特性及其工作点的温补系数：

给出给定工作点的线性温度补偿系数；

3、温补后工作点的温度特性：

给出温补后器件工作点的温度特性；

4、功放管P1dB点的Loadpull仿真：

采用LoadPull方法给出功放的P1dB点；

5、功放管单音Loadpull仿真（在给定的输出功率点上）：

采用LoadPull方法给出功放的输入输出阻抗及其对应点的增益、电流、效率、谐波；

6、功放管双音Loadpull仿真（在给定的输出功率点上）：

采用LoadPull方法给出功放的输入输出阻抗及其对应点的增益、电流、效率、交调；

7、加匹配电路后，单音仿真：

给出50欧系统各输出功率点时对应的增益、电流、谐波；

8、加匹配电路后，双音仿真：

给出50欧系统各输出功率点时对应的增益、电流、交调；

9、包络仿真，给出调制信号经过功放的变化（如CDMA系统中的ACPR）。

注：

上面提到的LoadPull仿真指的是给定一系列的放大器负载，在给定的放大器工作点和频点上计算其在给定的输出功率点上对应的输入阻抗、电流、效率等其他电参数，此时温度一般固定为常温。

本模块在介绍过程中使用的器件为Motorola的LDMOS器件MRF9045，用于880MHz频段。

在其他的器件分析中，只需要将更换器件，按照下面的步骤即可完成该器件的所有分析并得到想要的参数。

下面分别介绍。

3.1直流工作点仿真

图3.1直流工作点仿真电路与结果

图3.1为直流工作点的仿真电路、各种参数设置及仿真结果。

使用时，只需更换功放管，更改电路中红色方框中期望的管子静态工作电流的范围及仿真步进即可。

漏源电压（工作电压）设为27V，可以根据系统需要更改。

仿真结果给出所需静态电流点上对应的栅源偏置电压，便于后面仿真中使用。

本例中选用静态Idq为450mA，对应Vgs＝3.64676V。

该仿真的ADS文件为DC_constant_Ids.dsn。

注：

该曲线是器件的其他三个参数散热器温度Tsnk，器件的热阻Rth，器件的热容Cth的函数。

热阻热容由器件本身的热阻热容和器件与散热器的接触条件决定。

一般来说，这三个参数只会影响漏源电流与栅源电压的关系以及由此得出的温度补偿系数。

本模块在使用中均使用默认值。

3.2工作点温补系数

图3.2工作点温补系数仿真电路与结果

图3.2为温补系数计算的电路、参数设置及结果显示。

使用时，只需更换功放管，更改电路中红色方框中期望的管子静态工作电流及温度范围步进即可。

右图显示的是栅源电压的温补系数，及其线性拟和的直线与期望的栅源电压的对比。

注意该温度系数是直接调整栅源电压的系数，如果实际中采用电位器调整，则还得考虑电位器的分压系数。

同时注意，不同的工作点，温补系数有微小的差别。

该仿真的ADS文件为dc_temp_compensate.dsn。

3.3温补后工作点的温度特性

图3.3温补后工作点的温度特性电路与结果

对第二步中得到的温补系数的验证，从图3.3中可以看出，这种线性的温度补偿系数可以达到的很好的补偿效果。

该仿真的ADS文件为dc_after_temp_compensate.dsn。

3.4功放管P1dB点的Loadpull仿真

图3.4功放管P1dB点的LoadPull仿真

图3.4是采用LoadPull方法进行功放管P1dB仿真的电路和结果。

电路中使用了自建模块LoadPull_xdb，该模块的功能是，给定功放管的负载，给出其在给定的工作状态（由漏源电压Vds和栅源电压Vgs决定）和频率的情况下其增益压缩PxdB（任意正数）dB时其输出功率。

通常用于计算1dB压缩点的输出功率。

其负载范围由s11_center、s11_rho和Z0给出。

输出结果给出了其最大的和最小的P1dB值，同时给出其在Smith园图上的等高线图，移动mark点m1，可以获取该点的负载值及其对应的P1dB值。

该仿真的ADS文件为LoadPull_1dB.dsn

3.5功放管单音Loadpull仿真

图3.5单音LoadPull仿真的电路及结果

图3.5是对功放管进行单音LoadPull仿真的电路及结果。

电路中使用了自建模块LoadPull_1Tone，该模块的功能是在给定的条件下（工作点、频率、输出功率电平），输入阻抗、增益、电流、效率、谐波随负载阻抗的变化。

结果用加Mark点的方式给出了每一个负载对应的其他感兴趣的电参数。

同时给出了效率、增益、二次谐波和三次谐波的等高线图。

该仿真的ADS文件为LoadPull_1hb.dsn

3.6功放管双音Loadpull仿真

图3.6双音LoadPull仿真的电路及结果

图3.6是对功放管进行双音LoadPull仿真的电路及结果。

电路中使用了自建模块LoadPull_2Tone，该模块的功能是在给定的条件下（工作点、频率、输出功率电平），输入阻抗、增益、电流、效率、交调随负载阻抗的变化。

结果用加Mark点的方式给出了每一个负载对应的其他感兴趣的电参数。

同时给出了二次谐波和三次谐波的等高线图。

该仿真的ADS文件为LoadPull_2hb.dsn

3.7完整电路的单音仿真

图3.7完整电路的单音仿真

图3.7提供的是根据前面LoadPull的结果添加功放的输入输出匹配电路的单音仿真电路及其结果。

电路中有自建模块Fixture，其功能是给功放管提供相应的直流通道、交流通道及其对应的匹配电路。

其中的匹配电路为理想感容器件组成的具有滤波器特性的阻抗变换器，采用DesignGuide——Filter——Matching设计，在进行功放电路的仿真前，需要先进行这个模块里面的匹配电路设计。

本例分析了功放的各种单音测试参数随输出功率和工作点（栅源电压）的变化关系。

重点列出了其增益、相移、二次三次谐波、匹配后的输入阻抗、漏极电流及电源效率。

该仿真的ADS文件为PA_1tone.dsn

3.8完整电路的双音仿真

图3.8完整电路的双音仿真

电路同带匹配电路的单音仿真电路，双音仿真主要给出了该功放的线性指标。

上面图3.8中列出的有三阶交调、五阶交调、三阶失真的相位变化（相对于增益的相位）以及IP3随双音输出功率和工作点的变化情况。

该仿真的ADS文件为PA_2tone.dsn

3.9包络仿真

图3.9包络仿真

图3.9为使用IS95信号做包络仿真的电路及结果。

结果中给出了该功放在输出平均功率为33.2dBm时其750kHz和1.98MHz时ACPR，频谱及IQ矢量图。

需要的话，还可以给出功放前后信号峰均比、ACPR、频谱和IQ矢量图的变化情况。

该仿真的ADS文件为PA_ACPR.dsn

四仿真与实测的对比

本文以MRF9045为例，根据实际电路的各种参数，采用ADS搭建模型，将其仿真结果与实测相对比。

仿真电路如下图4.1所示，图中分布参数部分采用ADS中的二维半仿真工具Momentum，而电路中的集中参数器件均采用厂家提供的器件模型。

图4.1实际电路模型

图4.2为双音仿真结果与实测的对比，主要对比项为电流和三阶、五阶以及七阶交调。

中心频点为880MHz，双音间隔1MHz。

图中实线为计算值，离散点为实测值。

图4.2双音仿真结果与实测的对比

图4.3为包络仿真与实测的对比。

依次为信号源（红）及输出为为36.26dBm时输出信号（蓝）的CCDF图，电流对比、ACPR@750kHz以及ACPR@1.98MHz的对比。

图中实线为计算值，离散点为实测值。

从上面的对比图中可以看出，双音仿真中的电流和三阶交调仿真结果与实测结果比较一致，而高阶交调仿真与实测有一定的差距。

在包络仿真中，ACPR@750kHz仿真与实测一致，而电流与1.98MHz处ACPR有较大的出入。

分析原因，主要有：

1、器件模型本身与实际器件的差距。

2、仿真算法的局限性。

3、仿真电路全部采用“点电路”连接方式，在微带阻抗很小（主要是器件的漏极、栅极与微带线的连接）时，这种用点连接代替面连接的近似有较大的误差。

4、匹配所用的集总器件（主要是电容）模型与实际器件的差距。

5、在包络仿真中，仿真所用的信号源与仪器产生的信号有一定的差距（主要表现在CCDF上），导致ACPR仿真的差距。

总体上讲，通过仿真分析，可以得到比较准确的结果，用以指导实际的电路设计。

五、后记

前面给出的很多电路均包含自建的子电路模块。

这些模快有些功能比较复杂，各种参数也较多。

但是用户在使用这些子电路模快时可以无需了解其里面的细节，只要设置外部的有限几个参数即可，大大的简化了具体的应用。

当然对于一些基本的概念是必须的。

上面的仿真均是功放仿真的基本步骤，是在单频点上的操作。

实际的功放还有带宽的需求，这个时候可以在多个单频点处分别做LoadPull，将结果集中显示，然后权衡各方面的指标选择一个满意的点作为设计的依据。

图4.1将前面LoadPull仿真的所有结果集中在一起显示，在Smith园图中移动Mark点m1，可以得到关于这一点的所有信息。

应该注意的是，由于这时显示的数据来自几个不同的设计和独立的仿真，要求其相关仿真条件一致，否则不能得到正确的结果。

同时，得到这些显示结果需要做大量的后处理计算，使用时应注意变量的命名及各变量的数组信息。

在模块中，该数据显示文件为loadpull_all.dds。

图4.1仿真结果集中显示

另外应当注意的是，本模块并不提供设计实际匹配电路的方法。

关于这一点，使用者需要根据本模块提供的阻抗参数，自行设计匹配电路，然后再加在模块中对功放电路做完整分析。