3.3射频功率放大器电路设计实例

《基于ADS的射频功率放大器设计与仿真》篇一一、引言随着无线通信技术的不断发展，射频功率放大器（RF Power Amplifier, 简称PA）作为无线通信系统中的关键组件，其性能的优劣直接影响到整个系统的性能。

因此，设计一款高性能的射频功率放大器显得尤为重要。

本文将介绍一种基于ADS（Advanced Design System）的射频功率放大器设计与仿真方法，以期为相关领域的研究人员和工程师提供一定的参考。

二、设计原理与方案1. 设计原理射频功率放大器的主要功能是将低功率的射频信号放大到适合传输的功率水平。

设计过程中需考虑的主要因素包括放大器的增益、效率、线性度以及稳定性等。

基于ADS的设计方法主要利用ADS软件进行电路仿真，通过优化电路参数，以达到设计目标。

2. 设计方案本文提出的设计方案主要包括以下几个步骤：（1）确定设计指标：根据系统需求，确定射频功率放大器的设计指标，如工作频率、增益、输出功率、效率等。

（2）选择器件：根据设计指标，选择合适的晶体管、电容、电感等器件。

（3）电路设计：利用ADS软件进行电路仿真，通过优化电路参数，以达到设计目标。

（4）仿真验证：对设计好的电路进行仿真验证，检查是否满足设计指标。

三、基于ADS的仿真过程1. 建立模型：在ADS软件中，根据选定的器件建立电路模型。

2. 参数设置：设置仿真参数，如工作频率、输入功率、负载阻抗等。

3. 仿真分析：进行电路仿真，分析放大器的增益、效率、线性度等性能指标。

4. 优化设计：根据仿真结果，对电路参数进行优化，以提高放大器的性能。

四、仿真结果与分析经过仿真验证，本文设计的射频功率放大器在以下几个方面表现出色：1. 增益：放大器的增益达到了设计要求，且在工作频率范围内保持稳定。

2. 效率：放大器的效率较高，达到了预期目标，有效提高了能量的利用率。

3. 线性度：放大器的线性度良好，输出信号失真较小，满足系统需求。

4. 稳定性：放大器在工作过程中表现出良好的稳定性，没有出现自激振荡等问题。

本文主要对射频功率放大器电路设计进行介绍，主要介绍了射频功率放大器电路设计思路部分，以及部分设计线路图一、阻抗匹配设计大多数PA都内部集成了到50欧姆的阻抗匹配设计网络，不过也有一些高功率PA 将输出端匹配放在集成芯片外部，以减小芯片面积。

常用的匹配设计有微带线匹配设计、分立器件匹配设计网络等，在典型设计中有可能会将两者共同使用，以改善因为分立器件数值不连续带来的匹配设计不佳的问题。

PA阻抗匹配设计原理和射频中的阻抗匹配相同，都是共轭匹配设计，主要实现功率的最大传输。

常用工具可以使用Smith圆图来观察阻抗匹配设计变化，同时用ADS软件来完成仿真。

二、谐波抑制由本人微博《射频功率放大器 PA 的基本原理和信号分析》得知，谐波一般是由器件的非线性产生的倍频分量。

谐波抑制对于CE、FCC认证显得尤为重要。

由于谐波的频率较分散，所以一般采用无源滤波器来衰减谐波分量，达到抑制谐波的效果。

不仅PA，其它器件包括调制信号输出端都有可能产生谐波，为了避免PA对谐波进行放大，有必要在PA输入端即添加抑制电路。

上图所示无源滤波器常用于2.4G频段的芯片输出端位置，该滤波器为五阶低通滤波器，截止频率约为3GHz，对2倍频和3倍频的抑制分别达到45.8dB和72.8dB。

使用无源滤波器实现谐波抑制有以下优点：l 简单直接，成本有优势l 良好的性能并且易于仿真l 可以同时实现阻抗匹配设计三、系统设计优化系统设计优化主要从电源设计，匹配网络设计出发，实现PA性能的稳定改善。

3.1 电源设计功率放大器是功耗较大的器件，在快速开关的时候瞬间电流非常大，所以需要在主电源供电路径上加至少10uF的陶瓷电容，同时走线尽量宽，让电容放置走线上，充分利用电容储能效果。

PA供电电源一般有开关噪声和来自其它模块的耦合噪声，可以在PA靠近供电管脚处放置一些高频陶瓷电容。

有必要也可以加扼流电感或磁珠来抑制电源噪声。

从SE2576L的结构框图可以看出，该PA一共由三级放大组成，每一级都单独供电，前面两级作为小信号电压增大以及开关偏置电路，其工作电流较小，最后一级功率放大，其电流很大。

干货DIY射频功率放大器——记录了全部过程EEWorld电子资讯犀利解读技术干货每日更新好久没有写帖子了，最近不是出差就是上班，时间太赶了，没有静下心来写一篇帖子。

前段时间正赶上有个客户找我帮忙坐台功放，也算是忙里偷闲吧。

咱们说干就干，平时肯定是没时间的，还得要拖到周六。

客户给我的技术指标，我大概的整理了下：我也给他出了个方案，如上图这样，主要就是用一级功放管来实现就完全可以做到了。

接下来就是设计电路，画PCB，末级功放我采用的比较老的管子，MRF9045。

这个管子虽然比较老了，但是很好用，我很喜欢用这个管子。

电路图我就不公布了，就是PDF里面给的典型电路，我把版图贴出来。

我自己又在里面做了一级拖动，可以在0DBM输入输出到30W。

客户不需要，就无视，直接短接过去就可以了。

输出做了个环行器，避免输出口开路，损坏功放管。

在这里顺便问下，还有多少人在用protel99se画pcb。

我一直在用，哈哈哈~板子设计好了，下面就是画结构了，采用CAD，我画的不规范，因为没人教过，完全自学，能看懂就OK。

本来是打算发出去机加工的，厂家报价200每个，打样的价格。

由于客户目前需要1台，我算了算不划算，决定自己加工。

说干就干，等到周六早上起来就开始加工。

我的雕刻机搞起，控制软件采用mach3。

开料。

6061铝，雕刻机还是不行呀，太慢了，而且还不可以换刀，只好用一个刀慢慢的啃吧。

进过2个多小时，雏形终于出来了下面就是打孔攻丝，由于手里没有1.6mm的小铣刀，只好自己定位，用钻头开孔了。

还有侧面的TNC接头孔，慢慢的找定位。

盒子好了，还差上面的盖板，再找块2mm的铝板雕刻机切一个上盖板。

这里我找了下，手里有个2mm 的铣刀，刚刚好。

经过10多分钟，盖板也搞定了。

展示下最终成品。

自己手工打造的，还是挺满足的。

结构部分，到此结束，下面就是焊接，安装调试。

焊接，我早就焊好了，按装到盒子里面，调试。

用网分，测试902——928MHz的带内平坦度，还是蛮平的，但是这是小信号，不是最终的结果，仅供参考。

《基于ADS的射频功率放大器设计与仿真》篇一一、引言射频功率放大器（RF Power Amplifier，简称RFPA）是现代无线通信系统中的关键部件之一。

设计一款性能优异的射频功率放大器对提升整个通信系统的性能具有重大意义。

本文以ADS （Advanced Design System）软件为平台，对射频功率放大器进行设计与仿真，旨在为实际产品开发提供理论依据和设计指导。

二、设计目标与要求在设计射频功率放大器时，我们主要关注以下几个方面的性能指标：增益、输出功率、效率、线性度以及稳定性。

根据实际需求，我们设定了以下设计目标：1. 增益：在所需频段内，保持较高的功率增益；2. 输出功率：满足实际应用中对输出功率的需求；3. 效率：提高功率附加效率（PAE），以降低能耗；4. 线性度：在保证增益的同时，尽可能减小失真，提高线性度；5. 稳定性：确保放大器在宽频带内稳定工作。

三、设计思路与原理在ADS软件中，我们采用微波晶体管作为功率放大的核心器件。

根据其工作原理和实际需求，设计思路如下：1. 选择合适的晶体管：根据设计目标和应用需求，选择具有高功率、高效率和高线性度的晶体管；2. 设计电路拓扑结构：根据晶体管的特性，设计合适的电路拓扑结构，如共源、共栅等；3. 优化匹配网络：通过优化输入输出匹配网络，提高放大器的增益、效率以及线性度；4. 仿真验证：利用ADS软件进行仿真验证，对设计结果进行评估和优化。

四、具体设计与仿真1. 晶体管选择与电路拓扑设计根据设计目标和应用需求，我们选择了某型号的微波晶体管作为功率放大的核心器件。

根据其特性，我们设计了共源结构的电路拓扑。

2. 匹配网络设计与优化为了获得高增益、高效率和良好的线性度，我们设计了输入输出匹配网络。

通过优化匹配网络的元件参数，使得晶体管在所需频段内具有最佳的匹配性能。

同时，我们还采用了负载牵引技术，进一步优化了输出匹配网络。

3. 仿真验证与结果分析利用ADS软件进行仿真验证，我们将设计好的电路模型导入ADS中，设置仿真参数和条件。

射频功率放大器仿真设计本设计采用Freescale的功放管MRF7S38010H。

一、静态工作点直流扫描功率放大器设计时，需输出功率、效率、线性度等指标要求选择功放管的工作状态。

本设计根据datasheet给出的静态工作点来仿真，为AB类，如图1所示。

图1 静态工作点直流扫描仿真结果如图2所示，静态电流为162mA，栅极电压为2.85V。

图2 静态工作点仿真结果二、稳定性分析对于功放来说，稳定性非常重要。

不稳定的电路很容易引起功放管自激甚至损坏。

所以，在放大器匹配电路设计的时，首先需要进行稳定性分析和稳定电路的设计，保证稳定系数K在整个频段内大于1。

如果在整个频段内难以做到无条件稳定，有时只需确保晶体管工作频段以及附近频段的K＞1即可。

该功放管的稳定性电路和仿真结果分别如图3和图4所示。

图3 稳定性仿真电路原理图从图4的结果来看，在3.5GHz以下的频率范围内K值基本小于1，所以该电路是条件稳定，需要做稳定性措施。

解决稳定性的常用办法是在功放管输入端加入电阻等有损元件来消耗掉过多的能量，特别是低频部分。

输出端一般不加入电阻，以免造成输出功率损失。

在射频输入端口插入电阻和电容组成的并联网络；同时，在栅极端接射频扼流的 传输线，再并联射频去耦电容，最后串联一个稳定电阻，如图5所示。

此方/4法稳定效果好，但增益会降低。

具体数值需要通过仿真结果来不断调试。

图4 稳定性仿真结果图5 加入稳定元件后的稳定电路原理图仿真结果如图6所示。

从图6可见，稳定系数在整个频段内都大于1。

加入了稳定电路后，整个系统的增益有所降低。

图6 稳定性仿真结果一般情况下，稳定性与偏置电路的设计是结合在一起的。

因为供电端和射频信号是连接在一起的，所以在进行匹配设计时也需要考虑偏置电路特性。

/4λ传输线是匹配电路的一部分，在匹配设计中要注意这一点。

实际上，射频扼流作用的微带线长度并非一定要为/4λ，而是小于/4λ，所以图5中的栅极电长度并非为90度。

射频电路设计要点与设计方案（图文并茂）目录1、射频电路中元器件封装的注意事项 (3)01.电路板的叠构 (4)02.阻抗控制 (5)03.射频元器件的摆放 (6)04.射频走线应该注意的问题 (7)05.过孔的放置 (8)2、射频电路电源设计注意事项 (9)3、射频PCB设计的EMC规范 (14)1）、层分布 (14)2）、接地 (15)3）、屏蔽 (16)4）、屏蔽材料和方法 (18)5）、屏蔽罩设计 (19)4、射频走线与地 (22)5、设计 (26)一、布局注意事项 (34)二、布线注意事项 (37)三、接地处理 (38)1、射频电路中元器件封装的注意事项成功的RF设计必须仔细注意整个设计过程中每个步骤及每个细节，这意味着必须在设计开始阶段就要进行彻底的、仔细的规划，并对每个设计步骤的进展进行全面持续的评估。

而这种细致的设计技巧正是国内大多数电子企业文化所欠缺的。

近几年来，由于蓝牙设备、无线局域网络(WLAN)设备，和移动电话的需求与成长，促使业者越来越关注RF电路设计的技巧。

从过去到现在，RF电路板设计如同电磁干扰(EMI)问题一样，一直是工程师们最难掌控的部份，甚至是梦魇。

若想要一次就设计成功，必须事先仔细规划和注重细节才能奏效。

射频(RF)电路板设计由于在理论上还有很多不确定性，因此常被形容为一种黑色艺术。

但这只是一种以偏盖全的观点，RF电路板设计还是有许多可以遵循的法则。

不过，在实际设计时，真正实用的技巧是当这些法则因各种限制而无法实施时，如何对它们进行折衷处理。

重要的RF设计课题包括：阻抗和阻抗匹配、绝缘层材料和层叠板、波长和谐波等。

在 WiFi 产品的开发过程中，射频电路的布线是极为关键的一个过程。

很多时候，我们可能在原理上已经设计的很完善，但是在实际的制板，上件过后发现很不理想，实际上这些都是布线做的不够完善的原因。

射频电路在布线中应该注意的问题：01.电路板的叠构在进行布线之前，我们首先要确定电路板的叠构，就像盖房子要先有房子的墙壁。

912020年第5期设计与实现*基金项目：国家自然科学基金面上项目（61571251）；宁波市自然科学基金（2018A610024）**通信作者收稿日期：2019-12-09一种高效率逆F类Doherty射频功率放大器*A High Effi ciency Inverse Class-F Doherty RF Power Amplifi er为了进一步提高射频功放的输出能力， 基于GaN HEMT 功率器件，采用平衡式结构设计了一款工作频率为3.3 GHz —3.6 GHz 的高效率逆F 类Doherty 结构射频功放。

参照功放管的寄生参数等效电路网络，为获得逆F 类功放理想的开关特性，设计了具有寄生参数补偿作用的谐波控制网络来抑制功放输出端的二次、三次谐波 ，同时结合Doherty 功放结构特点，使其在6 dB 功率回退的情况下仍具有较高的输出效率。

仿真后，可得到其在3.3 GHz~3.6 GHz 工作频带内的输出功率在40.4 dBm~41.8 dBm 内，PAE 为66%~77%，最大DE 达到82.6%，功率回退6 dB 处，功放的DE 仍在69%左右，增益平坦度约为±1.5 dB 。

逆F 类；Doherty ；寄生补偿；谐波控制；高效率In order to further improve the output capability of RF power amplifi er, this paper uses GaN HEMT power device and adopts balanced structure to design a high efficiency inverse F-class Doherty RF power amplifier with the working frequency of 3.3-3.6 GHz. According to the parasitic parameter equivalent circuit of the power amplifi er tube, the inverse-F harmonic control network with parasitic parameter compensation is designed to suppress the second and third harmonics of the output end of the power amplifier, and the combination with the structural characteristics of Doherty amplifi er achieves the high output effi ciency of the inverse-F power amplifi er even with the 6 dB power back-off. After the simulation, the output power of the amplifi er in the working band of 3.3-3.6 GHz is 40.4-41.8 dBm, the PAE (power added effi ciency) is 66%-77%, the maximum DE (drain effi ciency) is 82.6%, the DE of the amplifi er is still about 69% with 6 dBm power back-off, and the gain fl atness is about ± 1.5 dB.inverse class-F; Doherty; parasitic compensation; harmonic control; high effi ciency（宁波大学信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211）(College of Information Science and Engineering, Ningbo University, Ningbo 315211, China)【摘 要】尹希雷，李军**，代法亮，文化锋，刘太君YIN Xilei, LI Jun**, DAI Faliang, WEN Huafeng, LIU Taijund oi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.05.018 中图分类号：TN722.5文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2020)05-0091-06引用格式：尹希雷,李军,代法亮,等. 一种高效率逆F类Doherty射频功率放大器[J]. 移动通信, 2020,44(5): 91-96.[Abstract][Key words]【关键词】OSID ：扫描二维码与作者交流0 引言无线通信技术的发展日新月异，特别是当下5G 技术的推进，要求通信系统具备应对高频谱利用率和高速数据传输的能力。