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一种基于Agilent ADS的功率放大器输出匹配新方法


第 23 卷第 1 期 Vol. 23 No. 1

重庆工商大学学报 自然科学版) (
J Chongqing Technol Business Univ. Nat Sci Ed) (

2006 年 2 月
Feb. 2006

文章编号: 1672 - 058X (2006) - 0064 -

05 01

一种基于 Agilent ADS 的功率放大器 输出匹配新方法
汪小路1 ,赵为粮1 ,李红霞2
(1. 重庆邮电学院 光电工程学院, 重庆 400065; 重庆大学 软件学院 信息安全系统工程研究所, 2. 重庆 400044)



要: 详细阐述了 LOAD-PULL 的基本工作原理, 并对 LOAD-PULL 的设置, 在单载波情

况下的仿真, 在双载波情况下的仿真等的实现方法及使用中的关键点进行了全面, 仔细的分析, 指出了利用 LOAD-PULL 技术实现的功率放大器具有输出匹配准确性程度较高, 应用方便, 高效 快捷, 开发时间短的优点, 而且其兼容性强, 可以结合其他设计方法一起使用. 关键词:LOAD-PULL; 功率放大器; 输出匹配; 等高线 中图分类号: 722 TN 文献标识码: A

1

功率放大器的背景
功率放大器 PA (Power Amplifier) 是无线发射机的核心部件.在设计功率放大器的时候, 有几个指标根据

[1] 实际情况需着重考虑 : 静态工作点的稳定性, (Gain) 输出功率 增益 , (delivered Power) 功率附加效率 PAE ,

(Power Added Efficiency)输入信号的电压驻波比 , (VSWR)三阶交调截止点 , (Third Order Intercept Point) 和带宽
[2] 等.匹配电路设计应该同时满足上述指标.输出匹配电路设计又是设计阻抗匹配电路的重点 .

在设计功率放大器的匹配电路上, 目前普遍采用传统的最佳负载曲线方法, 在此方法中一般采用手 算分析求得, 这种方法的缺点是不直观, 比较复杂, 花费的时间也比较长; 另一种方法就是新的 LOADPULL 匹配手段, 运用 ADS2003C Agilent Design System) ( 提供 LOAD-PULL 模拟的方式, 可以同时看到多种 关键指标跟随输出负载变化而变化的情况, 从而根据需求得到最佳输出负载, 此种方法的优点是匹配准 确性程度高, 直观, 方便快捷和大大缩短开发时间.

2

LOAD-PULL 在单载波下的运用
电路基本设置如图 1 所示, 该电路的静态工作点都是绝对稳定的, 也是功率放大器设计的前提条件.

从图 1 可以看到: 电源提供的功率 P dc )是由加在栅极的, ( 以及加在漏级的电压源提供: P dc = I s-h V s-h + I s-1 V s-1 (1)

其中 I s-h , s-h 以及 I s-1 , s-1 分别是在场效应管的栅极和漏级上的静态工作电压和静态工作电流. V V
收稿日期: 2005 - 09 - 10; 修回日期: 2005 - 12 - 12. 作者简介: 汪小路 (1981 - ) 男, , 湖北宜昌人, 硕士研究生, 从事射频集成电路研究.

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而整个电路的输出功率 W)可以表述为: ( P del = 0. 5 V load conj I load ) ( conj 其中 V load 和 I load 是表示输出基频的电压和电流, ( )是表示取括号中数值共轭的函数. 假设输入功率 W)是 P avs , ( 那么功率 附加效率 PAE 的表达式为: P AE = 100 P del - P avs P dc (3) (2)

还可以通过合适的变换把这些变量 变为以 dBm 为单位. 例如, 对输出功率的 变换: ( P del-dBm = 10Log10 P del )+ 30 (4)
图1 基本设置图

在 LOAD-PULL 中应用最广泛也是最重 要的一个函数是等高线函数 contour () 环境中等高线输出功率公式如下:
[3, 4]

. 以输出功率为例, 在同一等高线上的输出功率相同, Agilent ADS 在

P del-contours = contour P del-dBm , delmax -[0 : Num P del-lines - 1) P del-step ) ( P : ( ] 该公式表明在图 1 上可以看到一个以 P delmax 为中心的, P del-step 为 以 其中, delmax 表示最大的输出功率, P 步进的等高线图, 把它转化在 Smith 圆图上, 显示为图 2.

图2

输出功率的最大值及其对应的负载阻抗图

图3

功率附加效率 PAE)的等高线图 (

同样的道理, 也可以得到功率附加效率 PAE 的等高线 如图 3) 根据系统对各个指标要求, ( . 在各个指 标对应的等高线 图 2, 3)上选取合适的等高线簇. ( 图 综合分析这些满足不同指标条件的等高线簇上的点 的反射系数, 估算出所需要的范围, 再通过对 Smith 圆图上该范围内的仔细扫描, 找到最佳输出匹配负载. 一般估算出反射系数的范围后, 首先要设置扫描的圆心点, 采用的公式是:
( r = ヘ / y e j2 ヘπx) x

(5)

其中, 是从 0 到 ( y 是所指定的要在 Simth 圆图上均匀分布的点的总数) x y 的变量. 这个公式使得扫描 在圆图上以螺旋的形式来进行, 如图 4 中的小点便是扫描点. 根据需要选取图 4 中的任何一个点作为被扫 描圆的圆心. 设置合适的扫描圆心点后, 还要设置扫描半径, 扫描自己认为合适的仿真范围, 如图 5. 然后通过一定的公式产生输出功率以及功率附加效率等这些指标, 同时随负载的反射系数 原理图 (

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上设置的变量)变化而变化的图形, 如图 6.

图4

扫描圆心的设置

图5

扫描范围的设置

图6

输出功率以及功率附加效率与负载反射系数一一对应

3

LOAD-PULL 在双载波下的运用
由于功率放大器的非线性, 2 个等幅 当

信号输入功率放大器的时候, 输出信号中存 在各种阶次的交调分量, 其中 3 阶交调分量 基波信号的频率 ω i 和 2 ω i - ω i +1 和 2 ω i +1 - ω, ω i +1 不可能把 3 阶交调分量从信道中滤出, 所以 3 阶交调分量就是干扰信号, 同理, 阶 5 交调分量 3 ω i +1 - 2 ω i 和 3 ω i - 2 ω i +1 也是干扰 信号, 已知功率放大器的 3 阶交调系数以及 5 阶交调系数是与负载相关的, 因此, 在设计 输出匹配电路时, 如果必须要考虑线性指标 问题, 那么通过 LOAD-PULL 进行选择负载 是一个最方便, 快捷的方法. 通过合适的设
图7 双载波输入下的输出频谱图

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置可以把各个频率分量表示在频谱图上, 如图 7 所示.结合在前面所讲述的等高线以及对负载反射系数
[5] 的扫描的方法, 同样可以得到 3 阶交调系数以及 5 阶交调系数等高线图 , 如图 8 所示, 以及与之对应的

负载反射系数点的扫描图, 如图 9 所示. 可以预见, 当同时联系在单载波以及在双载波情况下的 LOAD-PULL 仿真时, 能够看到在负载反射系 数变化的同时, 输出功率, 功率附加效率, 阶交调系数以及 5 阶交调系数等这些关键指标也随之同时发 3 生相应的变化, 这个优点是传统的最佳负载曲线的方法所不能达到的.从而使得设计者可以同时综合考 虑, 达到快速实现最优化设计的目的.

图8

3 阶交调系数以及 5 阶交调系数等高线图

图9

3 阶交调系数以及 5 阶交调系数 与负载反射系数一一对应

4





从射频开发人员的角度来看, 采用 LOAD-PULL 技术可以方便快捷高效地完成设计任务, 从而缩短开 发时间.Agilent ADS 还拥有相当灵活的能力, 可以在做 LOAD-PULL 扫描的时候, 运用相关的公式, 以及 做 source - pull, 双音互调失真的仿真.总而言之, Agilent ADS 是一套比较强大的工具, 至于其他相关能 力还有待读者自己发觉.

参考文献:
[1]王子宇, 徐承和. 射频电路设计——理论与应用 M] 北京: — [ . 电子工业出版社, 2002 [2]JOHN L,WALKER B. High - Power GaAs FET amplifiers M] Boston: [ . Artech House, 1993 [3]CRIPPS S C. A Theory of the Prediction of GaAs FET Load - Pull Power Contours . IEEE MTT - S Dig, (9) 221 - 223 [J] 1983 : [4]GEIS L A,DUNLEAVY L P. Power Contours Plots Using Linear Simulators J] Microwave J, ( 6) 60 - 70 [ . 1996 : [5]BENEDIKT J, GADDI R, TASKER P J. High - power time - domain measurement system with active harmonic load - pull for high efficiency base - station amplifier design. Microwave Theory and Techniques , [J] IEEE Transactions on, 2000,(10)2 617 - 2 624 48 :

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A new method for output matching of power amplifier based on Agilent ADS
WANG Xiao - /u1 , ZHA- W.i - /ia011 , Ho01 - Xia2 /2
(1. Institute of Electronic Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China; Information Security Software System Engineer Graduate School,School of Software Engineering, Chongqing University,Chongqing 400044, China) Abstract: basic operation principles of output matching using LOAD-PULL for the power amplifier are The analyzed in detail in this paper. The key characteristics and realization in different situation of the setting of and LOAD-PULL,simulation using one carrier, simulation using two carrier are analyzed comprehensively and carefully. The paper points out that technology of LOAD-PULL is the present trend in the developing of output convenience,efficiency and matching for power amplifier because of their characteristics which are precision , compatibility of being used with other methods or tools. Key Words: LOAD-PULL;power amplifier;output matching;contour line
责任编辑: 代晓红

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[6]杨纶标, 高英仪. 模糊数学 M] 广州: [ . 华南理工大学出版社, 2001 [7]雷玉成, 于治水. 焊接成形技术 M] 北京: [ . 化学工业出版社, 2004 [8]施海, 陈渝光, 杨奕 . 数字集成与远资源共享平台的设计与实现 J] 重庆工学院学报, [ . 2003,( 2) 29 - 31 17 :

A control arithmetic based on output - current and output - voltage of semiautomatic arc welding generator
X23 45ua0
( College of Computer Science and Information Engineering,Chongqing Technology and Business University,Chongqing 400067,China ) Abstract:Semiautomatic arc welding generator usually works in state of level characteristic or vertical characteristic,when it works in state of level characteristic,its output - voltage is steady and when it works in state of vertical characteristic,its output - current is steady. The data collect module collects the output - current value and the output - voltage value at first,then sends shem to CPU which can analyze and process. So it will realize the control of PWM signal. The signal of PWM regulates the excitation loop current to control the output current and the output - voltage of the generator. It makes use of the misty control theories which can divide the signal into five types over - strong,strong,medium,weak and tiny by calculating the subjectional pitch. The signal of different types adopts the different control strategy to control the empty - ratio of the PWM signal which sequentially controls the output - current and the output - voltage of the generator Key words:the semiautomatic arc welding generator;excitation current;PWM;the subjectional pitch; control strategy
责任编辑: 代晓红

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