基于负载牵引技术的射频功率放大器设计

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摘要：射频功率放大器要输出一定的功率给负载，利用负载牵引技术可以弹性地找到所需 功率的负载点。这里描述了基于负载牵引技术的5.2-GHz WLAN 的功率放大器的设计方法， 采用CMOS 工艺设计了放大电路，接着对该放大电路进行负载牵引，在此基础上设计输入 输出匹配网络，最后使用ADS 软件进行整体仿真，得到了满足系统指标要求的功率放大器。

功率放大器处于通信系统中信号发射机的最末端，用来放大信号，与小信号放大器不同， 它要输出一定的功率给负载。效率是功率放大器的一个基本指标，就非恒包络调制方式而言， 包络中携带有用信息，因此又需要功率放大器具有一定的线性度。射频功率放大器工作在大 信号状态时，会由于晶体管的非线性而表现出较强的非线性特性[1]，从而使得信号失真，所 以小信号放大器的设计方法并不适合射频功率放大器的设计。小信号分析法的发展主要是基 于线性控制理论，线性控制理论发展了一系列行之有效的设计理论，这就使得小信号放大器 的设计变得简单可靠。而大信号，则是非线性控制要关注的问题，但非线性控制理论中数理 运算十分复杂，没有线性控制理论那样简单直观。

利用负载牵引技术，可以在没有大信号S 参数的情况下，不断变化负载阻抗，找到射频 功率放大器输出功率最大（或效率最高）时的那个负载阻抗，即所谓的最佳阻抗。文中描述 了5.2-GHz WLAN 的射频功放的设计方法，借助高频电路设计辅助软件ADS 进行负载牵引， 然后设计输出匹配网络，接着设计输入匹配网络，在此基础上进行优化。最后给出了增益、 输出功率、附加效率等参数。

1 放大电路的设计

本次电路设计采用台积电TSMC0.18umCMOS 工艺，放大电路如图1 所示，电路结构 为差分形式，采取两级放大，分别为驱动级和输出级。驱动级采用差分的共源共栅（Cascode） 结构，可以提供适当的电压增益；输出级也是差分的共源共栅结构，在提供一定的电压增益 的同时，还提供输出功率，这种结构可以提高功放输出电压的摆幅，从而降低对晶体管最大 电流能力的要求，提高功放的效率。两级之间采用的耦合电容Cp 和Cn，在提高隔离度的 同时起到级间阻抗匹配的作用。电感L1p、L2p、L1n、L2n 用作负载，电感Lnp 用来抵消源 极寄生电容对功放效率的影响，其中L1p、L1n 和Lnp 采用工艺库里的片上螺旋电感来实现， 而L2p 和L2n 采用高Q 值的键合线电感实现，这样可以有效提高功放的增益。单路输入信 号经输入匹配网络由巴伦转换成两路信号Vinp 和Vinn，放大后的两路信号Voutp 和Voutn 经输出匹配网络由巴伦转换成一路信号送至天线。

2 负载牵引技术的应用

负载牵引技术可以由实际测量系统[2][3]和高频电路设计辅助软件[4]][5]两种方式实现，但 是搭建一个负载牵引测量系统的成本相当之大，而且不易实现，本文采用ADS 软件对上面 所设计的功率放大器使用负载牵引（Loadpull）技术有规则的搜寻史密斯（Smith）圆图上的 每个区域，确定最佳负载的阻抗值；然后设计输出匹配网络，将实际负载阻抗（通常为50Ω） 变换到最佳负载阻抗。负载牵引技术应用于功率放大器的设计如图2 所示，中间的电路模块 是在图1 放大电路的基础上引入了巴伦从而使得信号单端输入单端输出。

负载牵引结果如图3 所示，同一条等高线代表的是相同的输出功率，越趋向于中心点，输出功率越大，最中心点为最大输出功率，这是一个不断收敛的过程。等高线输出功率公式如下：

上式中，Pdelmax 为最大输出功率，contour[6]是软件中自带的等高线函数，由此公式可以得到以Pdelmax 为中心、Pdel_step 为步进的等高线，如图3 所示。

对应于最大输出功率的负载即为最佳负载，由图3 可知，此次设计的功率放大器的最佳负载阻抗为（39.142+j9.092）Ω

接下来设计输出匹配网络使实际负载与最佳负载形成共轭匹配，从而使输出功率最大化，使用Smith 圆图做匹配。

3 整体仿真

输出阻抗匹配网络做完后再做输入匹配网络，将输入阻抗匹配到端口阻抗(50Ω)，输入 匹配网络的主要目的是要提供够高的增益，这与输出匹配网络是为了达到所要求的输出功率 不同。S 参数中S11 表征输入匹配情况，S21 表示增益，仿真结果如图4 所示，由此可以看 出输入匹配较好且增益基本符合要求。

最后使用增益压缩仿真，得到输入1dB 压缩点约为-9dBm，在1dB 压缩点处的输出功 率以及功率附加效率如图5 所示，这种结果满足指标要求。

4 总结

本文描述了5.2-GHz WLAN 的射频功率放大器的设计方法，首先设计放大电路，接着 利用负载牵引技术找到能使输出功率最大化的最佳输出阻抗，以此为依据利用ADS 软件中 的Smith 圆图设计输出匹配网络，然后再做输入匹配，输入匹配目的是提供够高的增益，最 后进行整体优化、仿真，得到增益、输出功率以及功率附加效率（PAE）等性能参数，能够 满足系统要求。