功放仿真模块

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1、技术文件技术文件名称: ADS 功放仿真模块 技术文件编号： 版本： V1.1共 13 页（包括封面）拟制 侯晓华审核会签标准化 批准深圳市中兴通讯股份有限公司功放仿真模块ZTE中兴目录一 仿真目的 3二 关键技术 3三 模块功能介绍 43.1直流工作点仿真53.2工作点温补系数63.3温补后工作点的温度特性63.4 功放管P1dB 点的 Loadpull 仿真73.5 功放管单音Loadpull仿真73.6功放管双音Loadpull仿真83.7 完整电路的单音仿真93.8 完整电路的双音仿真103.9 包络仿真10四 仿真与实测的对比 11五、后记12功放仿真模块一 仿真目的一直以来，功放的

2、设计都是无线通讯系统中的设计难点，特别是在CDMA系统中，由 于对功放线性的要求，使得设计工作量很大。在传统的设计中，主要依靠大量的试验和设计 人员对功放的理解和经验，即Cut & Try的方式。而新接触功放设计的人员主要依靠“以 师带徒”的学习方式，导致成长过程的缓慢。还有一个问题就是在功放的测试过程中，很多 参数不易测量或是测量需要大量的人力和时间，比如功放交调失真的相位测量。同时，目前 公司大量使用的功率器件为 LDMOSFET(Lateral Diffused metallic oxide semiconductor field effect transistor)器件，该器件的一个显

3、著特点就是工作点会随着温度飘移，进而大大的影响 功放的指标，因此工作点的温度补偿技术也一直是功放设计的重点与难点。随着技术的发展，射频电路的器件模型、仿真技术和仿真软件日渐成熟，电路的仿真 工作也做的越来越多。在公司的模快化库中就有利用ADS仿真设计低噪声放大器的模块， 但是关于功放仿真的还是一片空白。本模块将提供一个功放ADS仿真的一个通用方法，使 用时只需将相应的参数调整，即可得到功放电路的基本电流电压参数，然后使用ADS强大 的后处理函数，即可得到任何想得到的参数，如输入输出阻抗、电流效率、增益、交调(包 括幅度和相位)等。如果应用功率器件的电热模型Electro Thermal Mod

4、el),则可模拟温度 变化对整个电路的参数指标的影响，从而可方便的得到温度的补偿系数。采用ADS强大的 统计分析功能，还可以方便的分析器件的离散性对功放指标的影响。本模块重点在功放管的 直流工作点及其输入输出阻抗的分析。二 关键技术该平台使用的基本技术为负载牵引(LoadPul l)技术，该技术的核心思想是在功放管 处于一定的状态下，给它一个负载，来考察其行为(即测量感兴趣的电参数)。如果给它一 系列的负载，则得到一系列的测量结果，然后据此选择我们认为最好的一个负载，作为设计 的依据。这实际上是一种枚举方法。其精度主要取决于模型的精度。目前市场上有一种设备， 如Maury的ATS (Autom

5、ated Tuner System)系统就是用硬件实现LoadPull技术的设备。ADS仿真与ATS系统的比较如下：1、在精度方面，ADS仿真主要依靠模型的精度，ATS主要依靠测量的精度；2、在速度方面，ADS速度很快，能在短时间内得到大量的数据，而ATS的阻抗调整 依靠机械调整，速度很慢；3、在数据量方面， ADS 可以根据自己的需要，灵活方便的得到任意想要的参数， ATS 依靠测量仪器的功能；4、在经济方面，如果已有ADS软件，则仿真只需要人力成本，但ATS非常昂贵。 在器件的模型方面，目前公司使用的大功率微波放大管基本上均是 Motorola 的LDMOS器件，且Motorola提供大部

6、分器件的ADS仿真模型，可以直接使用。在精度方面， 仿真的结果当然还不能与实际的完全一致，但是还是具有很强的指导性。同时，采用仿真加 深认识，得到一些方向性的结论也是仿真的初衷之一。在ADS软件说自带的例子中，有关于LoadPull的实例，在2003A版本中，还有一个 内置的 LoadPull 的模块，可以直接使用。比较起来，这些已有的实例和模块不能有效的完成所需仿真。本模块除了将其模块化之外，主要在下面几个方面进行了修改：1、增加了器件的工作点温补系数的仿真，直接在仿真结果中给出所需的温补系数； 2、除了单音的 LoadPull 仿真外，本模块重点添加了双音 LoadPull 仿真和 P1d

7、B 点的 LoadPull 仿真，便于分析器件的线性；3、本模块通过调整算法，重点考察器件在相同的输出功率电平上的特性差异，而已有 实例或模块考察的是相同输入电平下特性的差异，此时由于输出电平不一致，可比较性不强；4、在结果输出方面，本模块经过调整，将CDMA基站用功放设计中感兴趣的所有指 标均明确集中输出，一目了然。如果用户需要其他的参数，亦可通过ADS的后处理函数方 便的得到；5、使用集中参数设计输入输出匹配网络，使得可以方便仿真匹配后电路的所有特性6、增加了包络仿真的内容，分析其在特定的调制信号下的特性。本模块以IS95信号 为例进行说明。改变信号源及部分仿真参数，可以方便的得到GSM、

8、CDMA2000、WCDMA 等其他信号的包络仿真特性。由于功放的负载阻抗是一个复数，将其按照某些参量进行扫描时，则在Smith园图上 呈现为一个区域的分布。这个复数的变量选取不一样,则其在Smith园图上的分布也有区别， 图2.1为负载按照不同的轨迹变化时在Smith园图上的分布。从左到右其变量依次为：阻抗 的实部虚部、阻抗的幅度相位、反射系数的实部虚部和反射系数的幅度相位。所有这些阻抗图2.1负载阻抗在园图上的几种分布分布的具体区域均需要指定该园图的特性阻抗。 由图2.1可见，这四种负载阻抗的遍历方式的不同 造成其在园图上的分别的均匀程度也大有差别，处于均 匀性及管子实际阻抗范围的考虑，选

9、用反射系数的实部 虚部作为变量较为妥当。同时，由于园图是园的，为了 能够靠近边缘，故经过改造，得到如右图 2.2 所示的阻 抗分布图，其阻抗的范围由 3 个变量确定：园图特性阻 抗Z0,阻抗园心在园图上反射系数sll_center和这个园 的半径s11_rho。其中离散点的数目可以任意确定。三 模块功能介绍下面具体介绍本模块的功能及使用步骤，给出一般性的结果。如果有其他要求，可在此 基础上修改。本模块提供的是一个功率放大器的器件级ADS仿真模块，可以根据器件的非线性模型 （一般由厂家提供），得到该器件的所有线性和非线性参数，包括直流参数。仿真内容主要有以下 9 类：1、直流工作点仿真：给出给定

10、工作电压和静态电流时其偏置电压值；2、工作点的温度特性及其工作点的温补系数：给出给定工作点的线性温度补偿系数；3、温补后工作点的温度特性：给出温补后器件工作点的温度特性；4、功放管PldB点的Loadpull仿真：采用LoadPull方法给出功放的PldB点；5、功放管单音Loadpull仿真（在给定的输出功率点上）：采用LoadPull方法给出功 放的输入输出阻抗及其对应点的增益、电流、效率、谐波；6、功放管双音Loadpull仿真（在给定的输出功率点上）：采用LoadPull方法给出功 放的输入输出阻抗及其对应点的增益、电流、效率、交调；7、加匹配电路后，单音仿真：给出50欧系统各输出功率

11、点时对应的增益、电流、谐 波；8、加匹配电路后，双音仿真：给出50欧系统各输出功率点时对应的增益、电流、交 调；9、包络仿真，给出调制信号经过功放的变化（如CDMA系统中的ACPR）。 注：上面提到的 LoadPull 仿真指的是给定一系列的放大器负载，在给定的放大器工作点和 频点上计算其在给定的输出功率点上对应的输入阻抗、电流、效率等其他电参数，此时温度 一般固定为常温。本模块在介绍过程中使用的器件为Motorola的LDMOS器件MRF9045,用于880MHz 频段。在其他的器件分析中，只需要将更换器件，按照下面的步骤即可完成该器件的所有分 析并得到想要的参数。下面分别介绍。3.1 直流

12、工作点仿真bsD-MOTJUDMOS WCLUDEMOT TCGH HGI IJDG MT1GOAL心SSRC1 _Vtfc=VGS _rgl mi f=l ifeKKdipiSweep11 VAR1 耳 lleaslElVAR2ld_start=1OO ld_stop=900 ld_step=50CiiionOptailI 谿 |ILK：DC1Vgs(V)Idq(mA)3.279391003.374461503.443252003.497582503.542793003.581663503.615954003.646794503.674815003.700665503.724716003.7

13、47256503.768547003.788757503.808068003.826648503.84435 9001000 idq(mA)VS/gs (V/800 /600 /400 200 一一103.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 Vgs图 3.l 直流工作点仿真电路与结果图 3.l 为直流工作点的仿真电路、各种参数设置及仿真结果。使用时，只需更换功放 管，更改电路中红色方框中期望的管子静态工作电流的范围及仿真步进即可。漏源电压（工 作电压）设为27V,可以根据系统需要更改。仿真结果给出所需静态电流点上对应的栅源偏 置电压，便于后面仿真中使用。本例中选用静态I

14、dq为450mA，对应Vgs = 3.64676V。该仿 真的 ADS 文件为 DC_constant_Ids.dsn。注：该曲线是器件的其他三个参数散热器温度Tsnk，器件的热阻Rth,器件的热容 Cth 的函数。热阻热容由器件本身的热阻热容和器件与散热器的接触条件决定。一般来说， 这三个参数只会影响漏源电流与栅源电压的关系以及由此得出的温度补偿系数。本模块在使 用中均使用默认值。功放仿真模块3.2工作点温补系数Tempeqaturq Compensation Coefficient (mV/C)-1.92594Temp图 3.2 工作点温补系数仿真电路与结果图 3.2 为温补系数计算的电路

15、、参数设置及结果显示。使用时，只需更换功放管，更改 电路中红色方框中期望的管子静态工作电流及温度范围步进即可。右图显示的是栅源电压的 温补系数，及其线性拟和的直线与期望的栅源电压的对比。注意该温度系数是直接调整栅源 电压的系数，如果实际中采用电位器调整，则还得考虑电位器的分压系数。同时注意，不同 的工作点，温补系数有微小的差别。该仿真的ADS文件为dc_temp_compensate.dsn。MOT LDMOS NCLUDEVAR1Temp=25Vgs0=3.64676T coeff=1.92594Mil TECH NtXUDE-40-20020406080Temp3.3 温补后工作点的温度特性图 3.3 温补后工作点的温度特性电路与结果对第二步中得到的温补系数的验证，从图 3.3 中可以看出，这种线性的温度补偿系数 可以达到