基于负载牵引技术的射频功率放大器设计

摘要：射频功率放大器要输出一定的功率给负载，利用负载牵引技术可以弹性地找到所需 功率的负载点。这里描述了基于负载牵引技术的5.2-GHz WLAN 的功率放大器的设计方法， 采用CMOS 工艺设计了放大电路，接着对该放大电路进行负载牵引，在此基础上设计输入 输出匹配网络，最后使用ADS 软件进行整体仿真，得到了满足系统指标要求的功率放大器。

功率放大器处于通信系统中信号发射机的最末端，用来放大信号，与小信号放大器不同， 它要输出一定的功率给负载。效率是功率放大器的一个基本指标，就非恒包络调制方式而言， 包络中携带有用信息，因此又需要功率放大器具有一定的线性度。射频功率放大器工作在大 信号状态时，会由于晶体管的非线性而表现出较强的非线性特性，从而使得信号失真，所 以小信号放大器的设计方法并不适合射频功率放大器的设计。小信号分析法的发展主要是基 于线性控制理论，线性控制理论发展了一系列行之有效的设计理论，这就使得小信号放大器 的设计变得简单可靠。而大信号，则是非线性控制要关注的问题，但非线性控制理论中数理 运算十分复杂，没有线性控制理论那样简单直观。

利用负载牵引技术，可以在没有大信号S 参数的情况下，不断变化负载阻抗，找到射频 功率放大器输出功率最大（或效率最高）时的那个负载阻抗，即所谓的最佳阻抗。文中描述 了5.2-GHz WLAN 的射频功放的设计方法，借助高频电路设计辅助软件ADS 进行负载牵引， 然后设计输出匹配网络，接着设计输入匹配网络，在此基础上进行优化。最后给出了增益、 输出功率、附加效率等参数。

1 放大电路的设计

本次电路设计采用台积电TSMC0.18umCMOS 工艺，放大电路如图1 所示，电路结构 为差分形式，采取两级放大，分别为驱动级和输出级。驱动级采用差分的共源共栅（Cascode） 结构，可以提供适当的电压增益；输出级也是差分的共源共栅结构，在提供一定的电压增益 的同时，还提供输出功率，这种结构可以提高功放输出电压的摆幅，从而降低对晶体管最大 电流能力的要求，提高功放的效率。两级之间采用的耦合电容Cp 和Cn，在提高隔离度的 同时起到级间阻抗匹配的作用。电感L1p、L2p、L1n、L2n 用作负载，电感Lnp 用来抵消源 极寄生电容对功放效率的影响，其中L1p、L1n 和Lnp 采用工艺库里的片上螺旋电感来实现， 而L2p 和L2n 采用高Q 值的键合线电感实现，这样可以有效提高功放的增益。单路输入信 号经输入匹配网络由巴伦转换成两路信号Vinp 和Vinn，放大后的两路信号Voutp 和Voutn 经输出匹配网络由巴伦转换成一路信号送至天线。

2 负载牵引技术的应用

负载牵引技术可以由实际测量系统和高频电路设计辅助软件两种方式实现，但 是搭建一个负载牵引测量系统的成本相当之大，而且不易实现，本文采用ADS 软件对上面 所设计的功率放大器使用负载牵引（Loadpull）技术有规则的搜寻史密斯（Smith）圆图上的 每个区域，确定最佳负载的阻抗值；然后设计输出匹配网络，将实际负载阻抗（通常为50Ω） 变换到最佳负载阻抗。负载牵引技术应用于功率放大器的设计如图2 所示，中间的电路模块 是在图1 放大电路的基础上引入了巴伦从而使得信号单端输入单端输出。

负载牵引结果如图3 所示，同一条等高线代表的是相同的输出功率，越趋向于中心点，输出功率越大，最中心点为最大输出功率，这是一个不断收敛的过程。等高线输出功率公式如下：

上式中，Pdelmax 为最大输出功率，contour[6]是软件中自带的等高线函数，由此公式可以得到以Pdelmax 为中心、Pdel_step 为步进的等高线，如图3 所示。

对应于最大输出功率的负载即为最佳负载，由图3 可知，此次设计的功率放大器的最佳负载阻抗为（39.142+j9.092）Ω

接下来设计输出匹配网络使实际负载与最佳负载形成共轭匹配，从而使输出功率最大化，使用Smith 圆图做匹配。

3 整体仿真

输出阻抗匹配网络做完后再做输入匹配网络，将输入阻抗匹配到端口阻抗(50Ω)，输入 匹配网络的主要目的是要提供够高的增益，这与输出匹配网络是为了达到所要求的输出功率 不同。S 参数中S11 表征输入匹配情况，S21 表示增益，仿真结果如图4 所示，由此可以看 出输入匹配较好且增益基本符合要求。

最后使用增益压缩仿真，得到输入1dB 压缩点约为-9dBm，在1dB 压缩点处的输出功 率以及功率附加效率如图5 所示，这种结果满足指标要求。

4 总结

本文描述了5.2-GHz WLAN 的射频功率放大器的设计方法，首先设计放大电路，接着 利用负载牵引技术找到能使输出功率最大化的最佳输出阻抗，以此为依据利用ADS 软件中 的Smith 圆图设计输出匹配网络，然后再做输入匹配，输入匹配目的是提供够高的增益，最 后进行整体优化、仿真，得到增益、输出功率以及功率附加效率（PAE）等性能参数，能够 满足系统要求。