基于雙向牽引與EM仿真的GSM基站功率放大器設計

鄭玉鑫，李 魁，夏體慧，南敬昌

（遼寧工程技術大學 電子與信息工程學院，遼寧 葫蘆島 125105）

0 引 言

GSM（Global System for Mobile Communcation，GSM）系統是移動通信中最為經典的系統，全球超200個國家和地區超10億人正在使用GSM電話[1]。在GSM移動通信系統中，通過基站完成信號傳輸。功率放大器（Power Amplif i er，PA）[2]作為基站中最重要且最耗能的元件，其性能將直接影響系統性能[3]。基站功率放大器的輸出功率[4]越高，通信距離就越長且有效覆蓋面積會越大[5]，其效率決定了電池的使用時長[6]。因此對基站中功率放大器的研究具有很強的實用價值和經濟價值。在各種無線系統中由于不同調制類型和多載波信號的采用，射頻工程師為減小功率放大器的非線性失真，尤其是設計無線基站應用的高功率放大器時面臨著巨大的挑戰[7]。本文采用CREE（科銳）公司設計生產的CGH40035F射頻結柵場效應晶體管，在安捷倫公司的Advanced Design System（ADS）仿真平臺上，設計了一款可以工作在880 MHz的GSM基站功率放大器。設計采用雙向牽引技術以準確得到放大器最大效率和輸出功率下的最佳輸入輸出阻抗[8]。在此基礎上，應用Advanced Design System仿真軟件中的三維平面電磁仿真器Momentum，設計產生精準的EM（Electromagnetic）模型[9]，主要通過模擬具有物理意義的布局元件，將版圖元件的物理效應納入考慮范圍，得到高精度的仿真結果[10]。

1 放大器理論分析

功率放大器的設計要保證在其工作頻段內具有穩定性，同時也要滿足所需功率并盡可能提高增益指標，具有較好的功率放大能力。為防止放大器產生自激，需要先對射頻放大器進行穩定性分析以確定其穩定工作的條件。匹配電路的設計使射頻PA的輸入、輸出功率達到最佳功率匹配，這也是射頻PA的重要任務。雙向牽引法是目前已存在的仿真方法中較為準確的方法，可以采用雙向牽引法獲得最佳輸入阻抗。聯合仿真考慮到版圖在工程中的接地問題，可以獲得更為真實的仿真結果。后文主要闡述了雙向牽引及聯合仿真的相關理論及方法。

1.1 雙向牽引理論

雙向牽引技術相比一般的牽引技術，具有準確得到最大效率和輸出功率下最佳輸入輸出阻抗的優點。雙向牽引框圖結構如圖1所示。

圖1 雙向牽引框圖結構

采用雙向牽引得到最佳輸入輸出阻抗的過程如下：

（1）首先利用ADS自帶的Load-pull和Source-pull模塊進行負載牽引和源牽引，得到最佳基頻阻抗ZLoad0和ZSource0。

（2）把得到的ZSource0代入其中，即固定ZSource0不變，繼續進行負載牽引，得到ZLoad1；接著進行源牽引，固定ZLoad1不變，得到ZSource2。

（3）如此循環，得到最終的輸入輸出阻抗值。一般在此設計過程中，只需進行2～3次牽引即可得到結果。

1.2 聯合仿真

較一般的原理圖仿真而言，原理圖-版圖聯合仿真能夠提高放大器設計的準確性，使仿真結果具有更高的實用價值。與原理圖相比，版圖考慮了實際布線，而原理圖電路在進行仿真時未考慮分立器件如何分布以及走線分布參數等問題[11]。因原理忽略了很多實際生產過程中可能遇到的問題，因此只進行原理圖仿真得到的仿真結果未必可靠。而聯合仿真考慮了制版的布線、實際接地等問題，因此得出的仿真結果更具體、更準確。

2 功率放大器的設計

采用雙向牽引技術和電路圖-原理圖聯合仿真進行AB類功率放大器的設計，選用CREE公司設計生產的CGH40035F晶體管，設計工作中心頻率為880 GHz。

2.1 直流掃描與穩定性分析

直流掃描仿真電路能夠獲得晶體管的直流曲線以及PA的靜態工作點，更加明確放大器的工作狀態。對CGH40035F晶體管進行直流仿真，獲得晶體管的伏安特性曲線。根據CREE公司給出的數據手冊設計AB類功放，固定VDS為-2.8 V，掃描直流電流為513 mA，滿足數據手冊中的要求。圖2仍舊根據CREE公司給出的數據手冊設計AB類功放，固定VDS為-2.8 V，掃描直流電流為513 mA，滿足設計要求。圖2中VDS=28 V，IDS=513 mA，VGS=-2.8 V即為所獲得的靜態工作點。

為了使功率管在頻率范圍內穩定工作，特在輸入端增加一個有耗元器件，在隔直電容后串聯一個小電阻，發現其穩定性得到明顯提高。

圖2 直流特性曲線

2.2 雙向牽引法確定輸入輸出阻抗

確定最佳輸入輸出阻抗是提高PA效率及輸出功率的關鍵。通常情況下，高頻信號源的輸出阻抗和晶體管的輸入阻抗并不匹配，信號源一般為50 Ω，晶體管則是幾歐到幾十歐。信號源和晶體管中間加入輸入電路，作為阻抗變換，從而獲得阻抗匹配。本文采用雙向牽引技術得到最佳輸入輸出阻抗，如圖3、圖4所示。

圖3 負載牽引電路及仿真結果

經過雙向牽引得到的最佳輸入輸出阻抗見表1所列。

圖4 源牽引電路及仿真結果

2.3 匹配電路的設計

一般匹配電路有三種形式，即集總參數、分布參數和混合參數。

（1）集總參數是指采用電容電感等無損耗元件對匹配電路進行設計；

（2）分布參數是指在匹配過程中采用微帶線形式；

（3）混合參數即在匹配過程中采用電容電感和微帶線等進行混合匹配電路設計。

因為集總參數匹配網絡工作頻率較低且帶寬較窄，分布參數匹配網絡在實際調試過程中較難調節，所以一般在匹配電路設計時采用混合參數匹配網絡，本文在設計匹配電路時也采用混合參數匹配網絡，既容易調節又能獲得較寬的帶寬。帶寬輸出匹配電路和仿真結果如圖5和圖6所示。

從圖6（a）中可以得到在0.88 GHz時，S（1，1）（S（3，3）） 的 值 為 -39.289 dB，只要回波損耗小于-10 dB即可滿足要求。圖 6（b） 圖 顯 示 在 0.88 GHz時，S（2，1）（S（4，3））的值為-0.112 dB，圖中的匹配結果完全滿足設計要求，采用與確定輸出匹配相同的方法確定輸入匹配網絡。

2.4 整體電路的優化

在完成匹配網絡后， 將匹配電路以及漏極偏置和柵極偏置電路添加在晶體管兩側，組成PA總體電路。以上仿真是將所有設計的模型整合在一起初步進行參數仿真，在仿真完成后需要對整體原理圖進行優化調諧以得到最優結果。放大器優化后電路如圖7所示。

3 版圖設計與聯合仿真

3.1 版圖制作

由電路原理圖制作其版圖，只保留電路圖中的微帶線，使電容和仿真控件等失效；查閱數據手冊，根據layout界面的封裝繪制出相應的晶體管模型封裝；然后把繪制的模型封裝添加到版圖中，以模型封裝為中心，對輸入輸出匹配電路和偏置按照之前原理圖電路的位置排版，排版完成后的版圖如圖8所示。

3.2 聯合仿真

進行聯合仿真的具體過程如下所示：

（1）在版圖上設計每個分立器件的封裝。

（2）將原理圖中的原件替換成繪制好版圖的器件，然后生成整個版圖。檢查布線不合理的地方并調整。

（3）新建原理圖，在版圖中加入與原理圖相對應的器件，插入與之前原理圖仿真中相同的S參數仿真控件進行仿真。

（4）觀察仿真結果是否達到預期，如果沒有則繼續調試。

圖6 輸出匹配電路仿真結果回波損耗與插入損耗

圖7 放大器優化后電路圖

原理圖-版圖聯合仿真電路如圖9所示。

聯合仿真考慮了制版的布線問題與實際接地問題，得出的仿真結果更具體、更準確。再次仿真得到的結果會與之前理想的仿真存在差異，還需繼續優化調諧，最終得到的仿真結果如圖10和圖11所示。

圖8 ADS中的版圖

圖9 聯合仿真電路圖

圖10所示為PA的增益仿真曲線，其增益不低于17.5 dB。圖11所示為PAE（Power Added Eff i ciency，PAE）隨輸出功率變化曲線，縱坐標是PAE值，最大可達52.624%，橫坐標飽和輸出功率可達41.58 dBm。由此可知，PA的仿真結果達到預期，這也證明了采用雙線牽引與聯合仿真方法設計功率放大器的優越性。

圖10 增益曲線

圖11 PAE仿真結果

4 結 語

本文結合雙線牽引和原理圖-版圖聯合仿真技術提出了一種高效的功率放大器設計方法。雙向牽引可以準確得到最大效率和輸出功率下的最佳輸入輸出阻抗，在此前提下，采用原理圖-版圖聯合仿真方法使仿真結果更具體、準確。仿真結果顯示，GP高于17.5 dB，飽和輸出功率大于41.58 dBm，PAE最高可達到52.6%。較一般的AB類PA而言，性能得到改善，并且顯著提高了設計精度和效率。