射频放大电路的优化及ADS仿真
射频放大电路的优化及ads仿真
1 引 言
在无线通信飞速发展的今天，射频设计具有举足轻重的作用，而放大电路是几乎所有无线通信系统的必备环节。由于工作频率的日益提高，模拟和数字电路设计工程师们正在不断地开发和改进电路，用于无线通信的模拟电路是在ghz波段，高性能的计算机、工作站以及pc机所用电路的时钟频率不断地增加，全球定位系统载波频率在1 227.60 mhz和1 575.42 mhz范围，个人通信系统中用的低噪声放大器工作在1.9 ghz，并可安装在比硬币还小的电路板上，在c波段的卫星广播包括4 ghz上行和6 ghz下行系统。随着无线通信的快速发展，更紧凑的放大器、滤波器、振荡器和混频器电路正被设计出来并交付使用。通常这些电路的工作频率高于1 ghz。这个设计过程不仅要有独特性能的技术装置，而且要专门设计解决在常用的低频系统中没有遇到过的问题。
“放大”是无线通信系统中发射机、接收机中普遍存在并且发挥重要作用的一个环节。下面将以实际的1900 mhz放大电路(amp1900)为例，对其进行多方面的仿真，并加入匹配网络进行优化，从而得到改善的射频放大电路。
2 交流仿真、s参数仿真和调谐
仿真是完成射频设计的一个有力手段，按照最优化的电路图制作实际电路，显然是最高效的。首先给出放大电路amp1900中用到的子电路 bjtpkg：
该电路为考虑寄生参量的放大器子电路，beta为他的一个参数，在上层电路中，默认beta值为160。预置电压vaf为50，e.b漏电流isc 为0.02e-12;端口b、c、e分别标识为num2，1，3;c1，c2均为120 ff;l1，l2，l3均为320 ph，其中l1阻值0.01 ω;bjt1即采用bjtm1模型。
在上述子电路基础上建立1.9 ghz初始放大电路(加入匹配网络前)如图2所示。
其中：仿真频段为100 mhz～4 ghz，步长10 mhz;src2中设置电压为5 v;终端term1，term2分别标识为num1和num2，阻抗均为50 ω;q1中beta值采用默认的160;dc_block1，dc_block2电容值为10 pf;dcfeed1，dc_feed2均为120 nh;rb，rc阻值分别为56 kω和590 ω。
运行电路仿真，对传输参数和反射参数数据绘图并做标记如图3所示，从图中可以看出，增益曲线比较平坦，泄漏也适当，但阻抗并未匹配。
利用ads调谐功能，加入匹配元件l和c并多次改变参数值，得到输入及输出端匹配网络的电路如图4所示，电路性能在图 5中给出。
考察图3中的s11数据，并联一个电容c将把标记点朝50ω恒定电阻圆图靠近，一个串联电感可使其沿50 ω圆朝smith chart圆心移动。选择的l，c值要使电路无损耗地通过1 900 mhz。
3 最优化处理
通过在原理图中引入最优化控制器和优化目标，可以得到最优化的匹配网络。这里优化目标设置s11最大值为-10 db，频率范围1 850～1950 mhz，对于s22进行类似设置。启动元件最优化处理，设置l优化范围是1～40 nh，c优化范围为0.01～1 pf。优化处理完成后匹配网络的元件参数值被自动替换为最优值，为电感添加电阻。最终得到放大电路如图6所示。
图6中元件参数设置：仿真频段100 mhz～4 ghz，步长10 mhz;src2中设置电压为5 v;终端terml，r1分别标识为num1和num2，阻抗均为50 ω;q1中beta值采用默认的160;dc_block1，dc_block2电容值为10 pf;dc_feed1，dc_feed2均为120 nh;rb，rc阻值分别为56 kω和590 ω。匹配网络中，l_match_in为18.3 nh&12 ω，c_match_in为0.35 pf，l_match_out为27.1 nh&6ω，c_match_out为0.22 pf。
同样对最优化电路运行s参数仿真，可以得到接近理想的电路性能如图7所示。
4 结 语
改善射频系统的性能，必须首要改进其各个功能部件的性能指标。比较图3和图7可以明显看到该放大电路性能的提升，这对于最大功率传输、抑制回波损耗等具有显著的改进作用。软件仿真是提高工作效率的一条捷径，诸如 ads等高频仿真设计软件提供了可靠的设计依据，对射频系统设计也是必不可少的助手。按照上述优化结果制作出实际的放大电路模块，利用矢量网络分析仪进行测量，其s参数等各项指标均与仿真效果基本吻合。在笔者应用中，加入了该放大电路的无线通信发射机、接收机系统运行稳定，同时具有较强抗干扰性能。
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在无线通信飞速发展的今天，射频设计具有举足轻重的作用，而放大电路是几乎所有无线通信系统的必备环节。由于工作频率的日益提高，模拟和数字电路设计工程师们正在不断地开发和改进电路，用于无线通信的模拟电路是在ghz波段，高性能的计算机、工作站以及pc机所用电路的时钟频率不断地增加，全球定位系统载波频率在1 227.60 mhz和1 575.42 mhz范围，个人通信系统中用的低噪声放大器工作在1.9 ghz，并可安装在比硬币还小的电路板上，在c波段的卫星广播包括4 ghz上行和6 ghz下行系统。随着无线通信的快速发展，更紧凑的放大器、滤波器、振荡器和混频器电路正被设计出来并交付使用。通常这些电路的工作频率高于1 ghz。这个设计过程不仅要有独特性能的技术装置，而且要专门设计解决在常用的低频系统中没有遇到过的问题。
“放大”是无线通信系统中发射机、接收机中普遍存在并且发挥重要作用的一个环节。下面将以实际的1900 mhz放大电路(amp1900)为例，对其进行多方面的仿真，并加入匹配网络进行优化，从而得到改善的射频放大电路。
2 交流仿真、s参数仿真和调谐
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该电路为考虑寄生参量的放大器子电路，beta为他的一个参数，在上层电路中，默认beta值为160。预置电压vaf为50，e.b漏电流isc 为0.02e-12;端口b、c、e分别标识为num2，1，3;c1，c2均为120 ff;l1，l2，l3均为320 ph，其中l1阻值0.01 ω;bjt1即采用bjtm1模型。
在上述子电路基础上建立1.9 ghz初始放大电路(加入匹配网络前)如图2所示。
其中：仿真频段为100 mhz～4 ghz，步长10 mhz;src2中设置电压为5 v;终端term1，term2分别标识为num1和num2，阻抗均为50 ω;q1中beta值采用默认的160;dc_block1，dc_block2电容值为10 pf;dcfeed1，dc_feed2均为120 nh;rb，rc阻值分别为56 kω和590 ω。
运行电路仿真，对传输参数和反射参数数据绘图并做标记如图3所示，从图中可以看出，增益曲线比较平坦，泄漏也适当，但阻抗并未匹配。
利用ads调谐功能，加入匹配元件l和c并多次改变参数值，得到输入及输出端匹配网络的电路如图4所示，电路性能在图 5中给出。
考察图3中的s11数据，并联一个电容c将把标记点朝50ω恒定电阻圆图靠近，一个串联电感可使其沿50 ω圆朝smith chart圆心移动。选择的l，c值要使电路无损耗地通过1 900 mhz。
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图6中元件参数设置：仿真频段100 mhz～4 ghz，步长10 mhz;src2中设置电压为5 v;终端terml，r1分别标识为num1和num2，阻抗均为50 ω;q1中beta值采用默认的160;dc_block1，dc_block2电容值为10 pf;dc_feed1，dc_feed2均为120 nh;rb，rc阻值分别为56 kω和590 ω。匹配网络中，l_match_in为18.3 nh&12 ω，c_match_in为0.35 pf，l_match_out为27.1 nh&6ω，c_match_out为0.22 pf。
同样对最优化电路运行s参数仿真，可以得到接近理想的电路性能如图7所示。
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