基于ADS高效率微波功率放大器设计

1 功率放大器的设计
1．1 设计指标
本设计方案选取的是NXP公司的BLF7G22L130功率管，设计的主要性能指标为：工作频段2 150～2 170MHz；输出功率为30W(44．7dBm)；在中心频率处的工作效率大于70％，增益平坦度要求小于0．5 dB。
1．2 静态工作点与偏置电路的设计
设计放大器首先需要确定静态工作点，利用ADS中的“FET_curve_tracer”的模板可以很方便地仿真出其输出特性曲线。再参考BLF7G22 L130的datasheet，可以确定当Vds=30 V，Ids=950 mA时，各项设计指标满足要求。
确定静态工作点后，就要确定偏置电路的形式和参数。借助ADS中的设计向导工具(DesignGuide→Amplifier→Tools→Transistor Bias Utility)可以轻易完成。因为ADS所提供的元件数值是非标称的，所以需要设计者用与ADS提供的数值接近的标称元件进行替代。
1．3 负载牵引法设计共轭匹配
为了得到最佳的线性度和较好的效率，使功率放大管在最佳状态下工作，并充分发挥其潜力，所以采用负载牵引特征对BLF7G22L130进行等功率曲线和等效率曲线的扫描，以选择最佳输出阻抗来进行功率放大器设计。
按上述确定好的最佳静态直流工作点设置好电路，然后基于ADS软件中Load-Pull-PAE对该偏置好BLF7G22L130电路模型进行负载牵引的最佳输出阻抗设计。设计仿真频率为2 160 MHz，仿真后选取最佳的输出阻抗如图1所示。

该BLF7G22L130模型在静态工作点的条件下，能够得到理想的最大效率PAE为69．39％，输出功率为47．08 dBm。综合考虑输出功率、效率和线性度等条件，这里选取Zload=1．17+i*0．348作为该MRF21030模型在该静态工作条件下的最佳输出阻抗，以其共轭作为输出匹配网络设计的阻抗。
采用同样的设计方法，基于ADS软件中的Source-PullPAE，对该偏置好的电路模型进行负载牵引的最佳输入出阻抗设计，这时需要把按最佳输出阻抗匹配好的输出匹配网络加入到电路中进行仿真。选取得到最佳的输人阻抗点Zsource=2．648-i*0．796，并以它的共轭作为输入匹配网络设计的参考。
在得到最佳源阻抗和负载阻抗后，需要通过阻抗变换将之匹配到50 Ω，本方案采用阶梯阻抗变换器实现匹配，利用阶梯阻抗变换器中不同阻抗微带线反射波相互抵消的原理，将源和负载阻抗匹配到50 Ω。负载匹配网络如图2所示。

 

1．4 整个放大器模块
整个电路中加入输入和输出匹配网络后，相互之间都存在着影响，需要对整个电路进行优化，来补偿输入匹配网络对对输出网络的影响，以达到最大的功率输出。即可将所有电路综合起来进行整体的放大器仿真。其仿真电路图如3所示。

2 电路仿真与结果分析
对优化设计后的整个电路进行建模仿真，得到的仿真结果如图4所示。

由图4可以得到，在输入功率在30 dBm时，输出功率可达到50．46 dBm，可以满足1 dB输出功率30 W的要求，在该输入功率处的效率达到70％；由图5可以得到增益平坦度小于0．5 dB，在频率2150～2170 MHz内效率在70％以上，输出功率在50 dBm以上，可见该功率放大器具有很高的效率，可以满足系统设计的需求。