1、 毕 业 设 计题 目 微波功率放大器的仿真设计 学生姓名 周东晓 学号 1113014116 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 电子 1104 班 指导教师 贾建科 完成地点 物电学院实验室 2015 年 6 月 11 日陕西理工学院毕业设计毕 业 论 文 设 计 任 务 书院(系) 物电学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 一、毕业论文设计题目 微波功率放大器的仿真设计 二、毕业论文设计工作自_2014_年_ 2 _月_ 20_日 起至_ 2014_年 6 月_20 日止三、毕业论文设计进行地点: 物 电 学 院 实 验 室 四、毕业论文设计的内容要求：射频功率放大
2、器在雷达、无线通信、 导航、卫星通 讯、电子对抗设备等系统中有着广泛的应用，是现代无线通信的关键设备。功率放大器总是要求在一定频率范围内输出一定的功率，同时满足系统高效率的要求。我们知道功率放大器的输出功率和效率是一对相互矛盾的统一体，不可能在获得大的输出功率条件下，又能获得很高的功率附加效率。在设计功率放大器的过程中，往往需要对这两个性能参数指标进行折中处理。那么如何对这两个性能参数进行折中处理就成为功率放大器设计中的一个难点。这个难点的最好解决方法就是放在功率放大器输入输出匹配网络的设计中来解决。本设计是利用微波射频仿真软件 ADS 对微波功率放大器进行仿真设计，掌握微波射频电路的工程设计
3、理论和设计方法，提高专业素质和工程实践能力。其具体要求如下： 1、分析微波功率放大器的各项参数； 2、查找相关资料并翻译相关的英文资料； 3、设计一微波功率放大器，技术指标如下； 工作频率 0.945GHz 驻波比 VSWR16dB 4、设计输入输出匹配电路，并利用仿真 软件对设计进行仿真验证。 五、毕业论文设计应收集资料及参考文献：收集关于微波功率分配器、ADS 仿真等方面的专业资料，阅读和学习下列参考文献： 1 徐兴福ADS2008射频电路设计与仿真实例【M】.电子工业出版社，2010： 2 陈钺颖. ADS 射频电路设计与仿真从入门到精通【M 】.电子工业出版社，2013： 3 廖承恩.
4、 微波技术基础【M】.西安电子科技大学出版社， 2011： 4 应荧莹. 微波工程【M】.电子工业出版社，2010 2 陕西理工学院毕业设计微波功率放大器的仿真设计学生：周东晓（陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程专业电子 1104 班级，陕西 汉中 723000）指导老师：贾建科摘要：随着现代无线通信的发展，微波功率放大器已成为微波通信设备的重要部件，它的性能优劣在很大程度上影响着通信质量。因而，对微波功率放大器的研究和设计也越来越受关注。 本文分析了微波功率放大器的基本原理，介绍了其阻抗匹配电路的方法，并根据指标要求对晶体管的输入输出网络进行阻抗匹配，用微带线实现匹配电路。用 ADS
5、 软件进行优化仿真，最后设计出大信号微波功率放大器。通过多次调试、测试实验，所设计的微波功率放大器在 0.945GHz 的频率上增益达到 16dB 以上。【关键字】：微波;功率放大器;优化设计;CAD.陕西理工学院毕业设计The simulation of microwave power amplifier design Zhou Dongxiao (Grade 11,Class 4,Major electronics and information engineering ，Electronics and information engineering Dept.，Shaanxi Unive
6、rsity of Technology，Hanzhong 723000，Shaanxi)Tutor: Jia JiankeAbstract :With the development of wireless communication，microwave power amplifier has been an important component in microwave communication, its capability effects the quality of the communication in a large extent. So it has been paid m
7、ore and more attention in the research and design of microwave power amplifier. In this paper, firstly the nonlinear characteristics of the microwave power amplifier have been analyzed, and several impedance matching circuits for the power amplifier have been introduced. Then according to the requir
8、ed features, the input and output impedance matching networks have been respectively designed for a given transistor, using microstrip line model to solve this problem. And after having used the ADS software to make S-parameter simulation and optimization, a large signal microwave power amplifier is
9、 finally designed. With a series of rigorous experiments and tests, the maximum gain of the designed power amplifier can be up to 7dB . Key word: microwave； power amplifier； optimization design；CAD；陕西理工学院毕业设计目录1 引 言 .12 微波功率放大器的非线性特性 .22.1 单级功率放大器的非线性分析 .22.2 微波功率放大器线性化技术 .42.2.1 反馈技术 .52.2.2 前馈技术 .
10、52.2.3 预失真技术 .53 微波放大器的基本原理 .63.1 微波功率放大器的增益 .63.2 微波晶体管放大器的稳定性 .74 使用 ADS 软件进行微波功率放大器的设计与仿真 .84.1 微波功率放大器的设计步骤及参数 .84.2 直流扫描 .84.2.2 放入飞思卡尔元件模型 .94.2.3 扫描参数的设置 .94.2.4 仿真并显示数据 .104.3 偏置及稳定性分析 .114.3.1 原理图的建立 .124.3.2 稳定性分析 .134.3.3 稳定措施 .144.3.4 加入偏置电路 .154.4 负载牵引设计 Load-Pull .164.4.1 插入 Load-Pull
11、模板 .174.4.2 确定 Load-Pull 的范围 .184.4.3 确定输出的负载阻抗 .184.5 运用 Smith 圆图进行匹配 .194.5.1 匹配电路的建立 .194.5.2 用实际元件替换输出匹配电路 .204.6 Source-Pull.214.7 电路优化设 .244.7.1 谐波平衡仿真 .254.7.2 优化输入输出匹配网络 .274.8 印制电路板图 .284.8.1 生成印制电路版图 .29结束语 .30致谢 .31附录 A：总电路图 .32附录 B：参考外文文献 .33附录 C：参考外文文献翻译 .35陕西理工学院毕业设计第 0 页 共 35 页1 引言在现代
12、微波无线通信系统中，信息传输正朝着多载波、大容量、高速度方向迅猛发展。微波功率放大器是微波通信设备的重要部件，它的性能在很大程度上影响通信的质量。比如，微波功率放大器增益减小，输出功率下降，则会引起信噪比降低，或是通信距离减小；三阶互调失真大，对时分数字通信设备而言，会产生码间串扰，增大误码率；功放的泄漏会造成自激，使工作不稳定，严重时甚至会使通信中断。性能优良的功率放大器，除了要进行精确合理的电路和结构设计外，还必须要有良好的生产工艺作保证。微波功率放大器近年来已广泛应用于雷达、电子对抗、广播电视等领域，它具有体积小、重量轻、耗电少、可靠性高、相位特性好的优点，且一般都在 50 欧姆的微带线
13、上进行调试。作为功率放大器，应该有较大的输出功率和较高的效率，同时也要满足带宽、增益和稳定性的要求。由于功率放大器处在大信号状态，放大过程中难免产生非线性失真，在设计中必须着重考虑。因此，设计一功率放大器的关键是合理的选择功放管、正确确定工作状态、精心设计匹配网络和选择合适的电路等等。 本文的工作就是进行微波功率放大器的优化和设计。其中，第二章介绍了微波功率放大器的非线性特性和各种常用线性化技术的基本原理；第三章介绍了微波功率放大器的设计原理；本文的第四章首先叙述了 0.945GHz 功率放大器的研制和设计，然后用 ADS 软件进行优化仿真，并对所设计的放大器进行加工制作，最后实验调试。按照所
14、给定的指标要求，本文研究的功率放大器预期达到以下技术指标：工作频率：945 MHz 驻波比 ：VSWR40% 陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 35 页2 微波功率放大器的非线性特性当微波功率放大器工作在大信号情况时，其幅度和相位特性的非线性会引起信号失真，产生互调和相位噪声 1。2.1 单级功率放大器的非线性分析假设有一功率放大器，该放大器具有非线性，其输入、输出特性如图所示。其输出电压可以输入电压的幂级数表示，即(2-1)321iiioekek(2-2)wtAics则 变为0e(2-3) wtAktAktkk 3cos412cos1cos)43(2121 那么基波功率 为0P(mW) (
15、2-4)RA32310输入功率 为iP(mW) (2-5)Ai3210定义增益 G 为(2-6)43lg(2021AkPio定义线性增益 为(2-7)1lo那么 1dB 压缩点增益 为G01PoutPin陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 35 页利用上式可求得(k30) (2-8)31245.0A把（2- 8）式代入（2-4）求出 1dB 压缩点功率1P(2-9)62.lg31k(2-10)、 )cos(221twtAei则（2-1）式变成 3cos281)2cos()2cos(83 2cs4cos89)cos()cs(1 1321 2 2123112122 twtAktwtwAk ttkt
16、tkeo (2-11)由上式可见放大器输入、输出频谱如图 2-2 所示，从图 2-2 可以看出，非线性放大器会产生许多杂散频率，其中 在频带外,而1212121、在频带内，即为交调产物。121、放大器线性部分的延长线与三次交调产物线性部分延长线相交点的输出功率为截断点，该点是衡量放大器线性的一个参数。如图 2-3 所示。IP设两个三次交调产物功率和为 ，两个基波线性输出功率和为 ，两基波输出功率3PLP和为 ，两基波输入功率和为 ，则o i(mW) (2-12)RAk23110)89(2(mW) (2-13)PL1)(mW) (2-14)RAk32330)6(mW) (2-15)Pi 321)
17、(令 ，得 ，代入（2-13）式L33128kA则（dBm） (2-16)6.1PI陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 35 页由上述关系还可以导出(2-17)321LIP整理（2-12）式可得(2-18)0814.6814)(96)( 32323132 kyAkkA式中(2-19)62.0(1.IoPy解（2-18）式得（j=0,1,2） (2-20)3cs2731jkA上式成立条件为 。1PO当 时， ，并以此为据从（2-20）式中选取合适的解，其中1PO328.0kcos =1.51875y-1 (2-21)令32cos1276jM则(2-22)312kA将（2-22）式代入（2-12）
18、、（2-13）式，得（dBm） (2-23)8.9lg01MPL（dBm） (2-24)2)(o将（2-23）、（2-16）式代入（2-17）式得（dB） (2-25)5.89lg203I这样，利用（2-19）、（2-21）、（2-22）、（2-25）式即可求出放大器的交调。 2.2 微波功率放大器线性化技术为了消除微波功率放大器的非线性失真，必须采用一些可靠的线性化技术。提高放大器线性度最简单的方法是将放大器工作在甲类，并降低工作电平，直到得到所要求的线性度，即功率回退法。目前主流的线性化技术主要有三大类，即反馈技术、前馈技术与预失真技术，下面就陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 35 页简
19、单介绍一下这些技术的原理。2.2.1 反馈技术将 RF 输出信号直接反馈到输入端，通过反馈来达到对 IM 产物的抑制，即 RF 直接反馈法，常用于低功率放大器，其应用受到工作频率和输出功率的很大限制，反馈环上的有限时延限制了带宽 2，而且，这种方法难以实现多级反馈。在更高电平上，反馈网络耗散很大，不得不使用高功率电阻，增加了成本和结构复杂性。2.2.2 前馈技术前馈技术 3-5比反馈技术提出的早，是一种宽带线性化技术。前馈技术基本原理是通过将主功率放大器产生的失真信号样本前馈到放大器输出端，来大量抵消放大器输出端的失真信号。2.2.3 预失真技术预失真技术 6是一项通过产生输入信号的互补信号，
20、来消除 RF 功放的非线性失真的线性化技术。在 TV 发射机（中频预失真）及 TWT 放大器（RF 预失真）中已经成功地运用预失真技术来校正三阶交调失真。一般说来，各种线性化方法大体都可以归成两大类 7，即开环或闭环技术。各种反馈等都可看成是闭环系统，它们具有很高的线性化能力，可以在满足一定频谱抑制的同时，得到较好的功率输出和效率，但由于受到调制带宽的严重限制，通常局限在单载波系统的设计中。预失真技术则可看成开环系统，它没有闭环系统的校正精度，但它能够处理的多载波信号调制带宽非常宽，也不存在制约闭环系统固有的稳定性问题。并且其实现简单，成本较低，适合于在便携式系统等要求廉价且容量大的通信系统中使用。
