基于ADS的多級功率放大器設計與仿真

摘要：對北斗衛(wèi)星導航射頻模塊的發(fā)射部分進行了分析和研究。介紹了BG2416CX芯片在北斗導航中的應用，并基于RNC2416CX芯片的設計方案，設計并仿真其功率放大器模塊。完整地闡述了采用ADS設計工具完成各部分電路的方法，其設計結果優(yōu)于設計目標，為后期進一步研究北斗導航系統(tǒng)和自主設計北斗導航系統(tǒng)發(fā)射部分芯片奠定了基礎。
關鍵詞：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)；功率放大器；ADS；發(fā)射機；負載牽引

0 引言
北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是中國自行研制開發(fā)的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是除美國的全球定位系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)致力于向全球用戶提供高質量的定位、導航和授時服務，與GPS和GLONASS相比，北斗導航系統(tǒng)增加了通信功能，用戶終端可以進行雙向報文通信。為此，北斗射頻模塊中除接收機外，其射頻前端還必須包含發(fā)射機電路。其發(fā)射部分將本機的短信息經過調制、上變頻和放大后形成大功率的L波段射頻信號，再通過天線發(fā)送給衛(wèi)星。
本文對發(fā)射機射頻前端結構進行了簡要的分析，介紹了RNC2416CX芯片在北斗導航系統(tǒng)中的應用。并基于RNC2416CX芯片的設計方案，設計并仿真其功率放大器模塊。本設計利用ADS軟件完成了各個部分電路的設計，利用Load-pull、Source-pull相結合的技術，Momentum技術等解決功率放大器設計中的輸入輸出匹配網絡的難點。

1 北斗導航射頻模塊發(fā)射部分
射頻模塊的發(fā)射部分可采用如圖1所示的電路結構方案，它主要由ALC基帶放大器、低通濾波器、第一上變頻器、中頻帶通濾波器、APC中頻放大器、第二上變頻器、鎖相頻率合成器、高穩(wěn)定基準源、射頻帶通濾波器、射頻功率放大器等單元電路組成。

BG2416CX是一款用于“北斗一代”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的射頻收發(fā)芯片，集成了接收通道、發(fā)射通道及相應的頻率綜合器。該芯片實現了北斗終端射頻模塊的單片化，只需要片外少許器件即可實現北斗一代的射頻收發(fā)功能，大大減小了產品體積，降低了系統(tǒng)成本。其發(fā)射通道輸出功率為-10～5 dBm，1 dB壓縮點輸出功率為10 dBm。由于系統(tǒng)要求功放的輸出功率為5 W，因而需要外接功放。

2 功率放大器設計
2．1 設計指標
頻率范圍：1 610～1 622 MHz；增益大于等于47 dB；駐波比小于等于1．5：1；輸入功率：-10～5 dBm；輸出功率大于等于37 dBm；功率附加效率大于等于34％。
2．2 設計思路
根據設計指標中對增益的要求，單級放大器不能實現預定的功率增益指標，必須采用多級放大器。因此，沒計中輸出級采用了飛思卡爾公司MRFG35010AN，驅動級采用了瑞薩電子的NE651R479A，增益級采用了Hittite公司的HMC413QS16G。具體分配指標結構圖如圖2所示。

2．3 直流偏置電路的設計
偏置網絡是所有射頻電路不可或缺的電路單元，其作用是為有源器件提供適當的靜態(tài)工作點，并抑制晶體管參數的離散性以及溫度變化的影響，從而保證電路穩(wěn)定的工作特性。
輸出級采用飛思卡爾公司的MRFG35010AN，使其工作在AB類工作狀態(tài)，AB類功率放大器的優(yōu)點是輸出功率較大，同時有較高的效率，線性比較好，工作溫度較低，因而可靠性也高。因此其偏置點確定在：VDS=11V，IDS=0．554 A，VGS=-0．64 V。第二級驅動級的偏置點確定在：VDS=5 V，VGS=-0．64 V。
直流偏置電路的設計采用1／4λ分支線法：用一段1／4λ的高阻抗(通常選擇200～300 Ω)傳輸線，與1／4λ低阻抗線構成。在仿真過程中用理想的大電感來替代，這樣設計可以起到射頻扼流圈的作用，穩(wěn)定直流饋電的目的。