利用ADS设计射频功率放大器

任务：

用飞思卡尔公司的功率放大器芯片ATF27s006NT1设计射频功放，芯片频率范围可达450MHz-3.6GHz。

功放指标：

（1）工作频率：500MHz

（2）增益：G＞20dB

（3）电源：+28V

（4）最大输出功率：2W（33dBm）

设计思路

（1）安装DesignKit模型；

（2）直流DC扫描；

（3）稳定性分析；

（4）偏置电路设计及整体电路设计；

（5）原理图初步优化；

（6）加入实际电容产品模型，再次优化电感值；

（7）加入实际电感产品模型，手动微调电感值。

仿真准备

由于要使用飞思卡尔公司的功率放大器芯片 ATF27s006NT1 设计射频功放，因此我们需要从飞思卡尔官网下载“RF_POWER_ADS2017.DK.zip”
以及“AFT27S006N_MDL_ADS”压缩包。

具体步骤

1、直流扫描

（1)直流扫描电路设置完成，完成后的原理图如图所示：

（2）仿真并显示数据

分析：
因为是 AB 类的功放，所以选取
Vos=2.7V，静态工作电流 IDS.i=736mA 作为静态工作点。和数据手册中的数据相比，电流取的较大，这是为了获的更好的线性库。

2、偏置及稳定性分析

1）稳定性扫描电路原理图

（2）稳定性分析

分析：

从上图可以看出，稳定系数在频率范围内均小于 1，系统处于不稳定状态，此时的系统容易引起自激，需要添加稳定性措施。一般来说，稳定措施有两种，意识在输入端增加一个有耗原件，如在输入的隔值电容后串联个小电阻。

（3）稳定措施

（4）仿真结果

分析：

在添加了稳定措施后，再重新进行仿真，结果如上图所示，此时系统在频带内的稳定系数均大于 1，表明系统处于稳定状态。

（5）加入偏置电路

（6）仿真结果

分析：

加入了偏置电路，进行偏置及稳定性分析，从 ADS 中插入 S 参数扫描模板，为了提高电路的稳定性，在输入端加入 RC 回路。并不断改变RC 的参数值使稳定因子 K>1。仿真后可以看到低端稳定性已经大为改善，功率管在高端也较为稳定，可以开始下一步工作。

3、负载牵引设计 Load-Pull

（1）插入 Load-Pull 模板

分析：

在新建的 LoadPull 原理图中替换为本次实验使用的 Freescale 芯片并且将电路修改为之前优化好的偏置电路。

（2）确定 LoadPull 的范围

分析：

将 m1、m2 移动到两个圆的圆心，即最高效率和最大功率处，可以确定最大功率时输出的负载为 38.073+j*14.186，选择其为电路的输出阻抗。

4、运用 Smith 圆图进行匹配

（1）匹配电路的建立

（2）输出阻抗匹配电路

（3）Source-Pull 设计/输入阻抗匹配

分析：

新建的 LoadPull 原理图中替换为本次实验使用的 Freescale 芯片并且将电路修改为之前优化好的偏置电路，同时加入匹配好的输出负载阻抗电路。修改 Source-Pull 的参数，适当调整圆心，使功率圆和效率圆心都能够显示，得出仿真结果。

（4）仿真结果

分析：

将 m1、m2 移动到两个圆的圆心，即最高效率和最大功率处，可以确定最大功率时输入的负载为 2.741+j*26.195，选择其为电路的输入阻抗。

（5）再一次进行阻抗匹配

分析：
利用 Smith 圆图进行输入负载阻抗匹配

分析：
输入负载阻抗匹配最终电路

5、电路的优化

（1）优化前的电路原理图

（2）优化前的仿真结果

分析：
优化前最大输出功率测试结果图

分析：
优化前增益测试结果图

可以看出，在 500Mhz 处最大输出功率为 32.214dBm，增益为 22.214。增益达到了实验的要求，但是输出功率略微小于本次实验的指标要求。

（3）优化后的电路原理图

手动微调 C4,C5 电容值

（4）仿真结果

分析：
优化后最大输出功率测试结果图

分析：
优化后增益测试结果图

优化后的电路测试指标符合实验要求，最大输出功率为 33dBm，增益为 23dB≥20dB。

6.、加入实际电容电感

（1）加入实际的电容电感模型

分析：

由于此前匹配电路中选取电容和电感都是理想器件，实际元器件还会存在部分寄生参数，因此使得仿真结果和实际电路尽量接近，需要将实际电感和电容模型加入到电路中，再次进行优化。

（2）仿真结果

分析：

加入实际电容电感后的增益测试结果图

分析：

加入实际电容电感后的最大功率测试结果图

从图中可以看出来增益和输出功率都有所改变，但偏差不大。

7、完整的电路设计

（1）完整的电路原理图

（2）最终的仿真结果

综上，电路使用飞思卡尔公司的功率放大器片 ATF27s006NT 实现了射频功率放大器的功能，符合本次实验所需的指标要求，其中具体功放的指标为：

8、结果分析

将仿真结果与题目要求的功放指标对比可知，功放的工作频率，电源电压以及最大输出功率与要求相符，增益为 23dB 也满足大于 20dB 的要求，所以仿真结果符合要求。

后记

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