ADS在放大器設計仿真中的簡單應用

摘 要:本文以單個放大器設計為例，簡述了Agilent公司的ADS軟件在放大器設計中的應用。

關鍵詞:放大器阻抗匹配

中圖分類號:TN72文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(b)-0104-02

1 引言

現(xiàn)今操作微波EDA設計軟件是每個微波設計師必須掌握的基本技能。ADS——Advanced Design System，是美國Agilent公司所開發(fā)的電子設計自動化軟件，功能強大，仿真手段豐富多樣，并可對設計結果進行優(yōu)化，其快速的計算功能，大大提高了設計功率，是非常優(yōu)秀的微波電路設計工具。它的版圖計算功能和建模功能，能夠比較精確地對放大器的匹配電路進行計算和優(yōu)化。本文以單個放大器設計為例，簡述了Agilent公司的ADS軟件在放大器設計中的應用。

2 放大器的電路設計

本文中所例舉的放大電路，頻率范圍(7.0～7.5GHz)，增益14dB以上。設計選取Excelics公司生產的EPA018A-70功率場效應管。

2.1 穩(wěn)定性仿真

任何放大器在匹配之前，都需要穩(wěn)定性仿真，目的是防止放大器自激，本文由于篇幅有限，不對自激的相關定義進行介紹。ADS提供了穩(wěn)定性仿真的工具，在S參數(shù)仿真工具欄中，有K因子仿真，輸入穩(wěn)定圓仿真，輸出穩(wěn)定圓仿真等等。建立一個雙端口基本仿真電路，對所需仿真的器件，調用其S參數(shù)，輸入輸出皆設定為50Ω。調用返回穩(wěn)定系數(shù)的模塊可以得到穩(wěn)點系數(shù)，結果見表1。

由表1可知，仿真結果是在頻帶內K<1，放大管不穩(wěn)定。所以要在電路中加入穩(wěn)定電路，讓放大器變成穩(wěn)定。比較簡單的方法是在輸入電路中并聯(lián)一個電阻和一個電容到地，能比較有效地改善穩(wěn)定，但是會犧牲部分增益。電阻和電容的值可以用優(yōu)化來進行微調，加入穩(wěn)定電路后使放大器在頻帶內穩(wěn)定。仿真的時候要注意因為在頻率較高，把電阻電容焊接所需的焊盤加入仿真。仿真結果見表2。

2.2 偏置電路

一般砷化鎵放大管多為正負電壓分別為柵極和漏級供電，偏置電路可以采用四分之一波長的高阻線，配合1/4波長的扇形微帶結構濾波。[1]同樣也可以利用ADS進行仿真。頻率越低，扇形就越大，若扇形體積過大，也可利用高Q值的電容進行濾波。偏置電路應當越靠近放大管輸入輸出腳越好。

2.3 匹配仿真

本文所述的方法是利用ADS計算反射系數(shù)來進行共軛匹配。

匹配前的增益曲線如圖1中左邊圖。最大增益在7.0GHz，為11.1dB。到7.5GHz降為10.7dB。觀察S11，S22曲線在頻帶內僅-5dB左右，需要匹配。把穩(wěn)定電路，偏置電路和放大器整合起來作為一個雙端口網絡進行匹配仿真。從S參數(shù)仿真工具欄中調用輸入輸出反射系數(shù)計算模塊。取反射系數(shù)的共軛，在Smith圓圖上顯示出來，選取中心頻率的阻抗在導納圓圖上進行匹配到50Ω。匹配時，可以利用ADS自帶的Smith圓圖工具。匹配方式根據所需的不同阻抗和帶寬要求有很多不同的選擇，有微帶分支線結構，或者微帶阻抗變換線結構，還有串聯(lián)電容叫微帶線結構等等，若頻率較高，比如X波段，不建議用微帶分支線結構，主要是因為T型結對仿真的影響大，仿真難以精確。[2]對于各種不同匹配結構的介紹，本文篇幅有限，不再做詳細敘述。

本文中采用的方法是微帶阻抗變換線結構，先把雙端口網絡的輸入或者輸出端口的復數(shù)導納用串聯(lián)微帶線轉換成純電導，再用1/4波長阻抗變換器進行實部阻抗變換。經過匹配仿真后的結果見圖1中右邊圖，可見增益提高了3dB以上。在仿真的過程中要注意，微帶線的尺寸參數(shù)在加工公差的允許范圍內變化時，最好不要引起放大器增益等性能較大的變化，微帶電路要有一定的容差能力。

2.4 版圖仿真

電路仿真具有一定的參考價值，但是和實際情況有些差距，得到電路仿真的結果可以用來制版，但是制成微帶板后，需要進行匹配調節(jié)，才能接近仿真時的性能。但是如果想得到更加理想的仿真結果的話，可以在版圖仿真中，通過端口S參數(shù)，形成模塊，再返回電路仿真，調用模塊，看匹配是否良好，如果不理想，則需要修改部分參數(shù)，繼續(xù)仿真。但是這個工作需要一定的時間在版圖和電路之間反復，實物試驗并修改的方法往往更加有效，不過需要一定的調試經驗。

2.5 實驗結果

把ADS形成的版圖導入到畫圖軟件中(比如AutoCAD等等)，形成微帶板的原型圖，然后加工成微帶片。焊上器件后通過簡單的匹配調節(jié)，并進行實際測量，結果如表3，考慮到接口的損耗，可見與仿真結果比較接近，但實際結果與仿真結果有一定的頻率偏差，可以通過微調匹配電路達到要求。

3 結論

ADS軟件和其他微波EDA軟件比較有幾個明顯的優(yōu)點:電路仿真速度快，方便優(yōu)化設計;仿真精度高，特別是引入版圖仿真后;仿真功能大，可以利用的仿真手段多;介面友好，操作簡單便捷。所以，ADS以其強大的功能受到微波設計師的青睞，成為微波設計師必須掌握的設計仿真軟件之一。

參考文獻

[1]固態(tài)微波集成電路.國防大學出版.

[2]射頻與微波電路設計.浙江大學.