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微波功率放大器的仿真设计本科论文
毕业设计
题目微波功率放大器的仿真设计
学生姓名学号
所在学院物理与电信工程学院
专业班级电子1201班
指导教师
完成地点物电学院实验室
2016年05月30日
微波功率放大器的仿真设计
学生:
(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1201班级,陕西汉中723000)
指导老师:
[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,在整个无线通信系统中是非常重要的一环,因为他的输出功率决定了通信距离的长短,其效率决定了电池的消耗程度及使用时间。
因此,对微波功率放大器的研究和设计越来越受关注。
本文分析了微波功率放大器的基本原理,运用负载牵引原理找出功率放大器最大输出功率时的最佳外部负载阻抗,运用Smith圆图建立输入匹配电路和输出匹配电路,将理想传输线转化为实际微带线,进行优化调谐,最后设计出大信号微波功率放大器。
利用ADS仿真软件对设计结果进行仿真验证,仿真结果表明所设计的微波功率放大器在0.960GHz的频率上增益达到18dB以上。
[关键字]:
微波功率放大器;优化设计;ADS
Simulationdesignofmicrowavepoweramplifier
n
(Grade12,Class1,Majorelectronicsandinformationengineering,ElectronicsandinformationengineeringDept.,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong,723000,Shaanxi)
Tutor:
Je
Abstract:
Withthedevelopmentofmodernwirelesscommunications,microwavepoweramplifierhasbecomeanimportantpartofmicrowavecommunicationequipment,themeritsofitsperformancelargelyaffectsthecommunicationquality.Itisaveryimportantpartoftheentirewirelesscommunicationsystem,becauseitdeterminesthelengthoftheoutputpowerofthecommunicationdistance,whichdeterminestheefficiencyofthebatterylevelofconsumptionandtheuseoftime.Therefore,themicrowavepoweramplifierresearchanddesignmoreandmoreconcerned.Thispaperanalyzesthebasicprincipleofmicrowavepoweramplifier,usingloadpulltofindthebestprinciplesofexternalloadimpedanceamplifiermaximumoutputpower,establishinputmatchingcircuitandanoutputmatchingcircuitwithSmithChart,maketheidealtransmissionlineintoactualmicrostripline,andtuningoptimization.Finally,designthelarge-signalmicrowavepoweramplifier.VerifytheresultofdesignsimulationwithADSsimulationsoftware,themicrowavepoweramplifierdesignsimulationresultsshowthatthefrequencyof0.960GHzgainof18dBormore.
Keyword:
microwavepoweramplifier;optimizationdesign;ADS
目录
1引言1
2微波功率放大器的非线性特性2
2.1单级功率放大器的非线性分析2
2.2微波功率放大器线性化技术5
2.2.1反馈技术5
2.2.2前馈技术5
2.2.3预失真技术5
3微波放大器的基本原理6
3.1微波功率放大器的增益6
3.2微波晶体管放大器的稳定性8
4使用ADS软件进行微波功率放大器的设计与仿真9
4.1微波功率放大器的设计步骤及参数9
4.2直流扫描9
4.2.1插入扫描模板9
4.2.2放入飞思卡尔元器件模型10
4.2.3扫描参数设置11
4.2.4仿真并显示数据12
4.3稳定性分析13
4.3.1原理图的建立13
4.3.2稳定性分析15
4.4Load-Pull15
4.4.1插入Load-Pull模板15
4.4.2确定Load-Pull的负载阻抗16
4.5Source-Pull17
4.5.1插入Source-Pull17
4.6Smith圆图匹配19
4.6.1输出匹配电路的建立19
4.6.2输出匹配理想传输线转化微带线21
4.6.3输出匹配电路生成Symbol模型24
4.6.4输入匹配电路的建立24
4.6.5输入匹配电路理想传输线转化微带线26
4.6.6输入匹配电路生成Symbol模型26
4.7偏置的设计26
4.8原理图S参数仿真28
4.9原理图HB仿真30
4.10原理图优化调谐32
结束语34
致谢35
参考文献36
附录A:
外文文献37
附录B:
外文文献翻译42
1引言
在现代微波无线通信系统中,信息传输在多载波、大容量、高速度的方向发展迅猛。
微波功率放大器在性能上较大程度的影响着通信的质量,它是无线通信设备的重要部件。
当微波功率放大器的增益减小,会引起输出功率的下降,进而引起信噪比降低,或着通信距离减小;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;功放泄漏还会引发自激,致使工作状态不稳定,严重时甚至会中断通信[1]。
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。
就应用领域而言,射频功率放大器用途广泛,在通信、雷达、卫星地面站、导航、电子对抗设备中都需要它[2]。
如射频功率放大器在有源相控阵雷达中就充当着重要的角色。
射频功率放大器作为侧R组件的重要组成部分,直接决定着各项技术参数;固态发射机的制作也离不开射频功率放大器;射频功放在在电子战中也有着至关重要的作用,它可以制成有源诱饵,让飞机躲过导弹的攻击,射频功率放大器在通信系统中广泛用于小功率或低数据率终端,它的效率在很大程度上决定着[3]通话的长短和待机时长。
射频功率放大器有很多优点,它体积小、重量轻、耗电少、可靠性高、相位特性好,且一般都在50欧姆的微带线上进行调试。
总之,需要对射频信号进行功率放大的设备中都离不开射频功率放大器。
从上文中不难看出,具有较高的效率和较大的输出功率是一个好的功率放大器应该具备的基本条件。
不仅如此,它还要符合增益、宽带、以及稳定性的要求[4]。
在设计中不得不着重考虑放大过程中产生的非线性失真,这是因为功率放大器处在大信号状态。
因此,在设计功率放大器时要选择合适的功放管、正确确定工作状态、认真设计匹配网络并且选择合适的电路等。
本次毕设设计的课题就是微波功率放大器的优化和设计。
在设计前通过第二章来说明微波功率放大器的非线性特性和几种常用的线性化技术及其基本原理,接下来通过第三章说明微波功率放大器的设计原理,最后在第四章叙述了0.960GHz功率放大器的研制和设计,以及用ADS软件对其进行优化仿真。
本次PA设计参数如下
频率:
960MHz输出功率:
40W输入功率:
1W
效率:
>40%电源电压:
28V
根据设计要求,选择了飞思卡尔的LDMOS功率管MRF8P9040N。
功率管MRF8P9040N的主要指标如下
频率:
700~1000MHz电源电压:
28V输出功率:
40W
增益:
19dB
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。
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2-1所示。
图2-1输入输出特性
Pin
Pout
其输出电压可以用输入电压的幂级数表示,即
(2-1)
(2-2)
则变为
(2-3)
那么基波功率为
(nw)(2-4)
输入功率为
(nw)(2-5)
定义增益为
(2-6)
定义线性增益为
(2-7)
那么1dB压缩点增益为
(2-7)
利用上式可求得
(k3<0)(2-8)
把(2-8)式代入(2-4)求出1dB压缩点功率
(2-9)
(2-10)
则(2-1)式变成
(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,而在频带内,即为交调产物。
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。
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,两基波输出功率和为,两基波输入功率和为,则
(mW)(2-12)
(mW)(2-13)
(mW)(2-14)
(mW)(2-15)
令,得,代入(2-13)式
则
(dBm)(2-16)
由上述关系还可以导出
(2-17)
整理(2-12)式可得
(2-18)
式中
(2-19)
解(2-18)式得
(j=0,1,2)(2-20)
上式成立条件为。
当时,,并以此为据从(2-20)式中选取合适的解,其中
cos=1.51875y-1(2-21)
令
则
(2-22)
将(2-22)式代入(2-12)、(2-13)式,得
(dBm)(2-23)
(dBm)(2-24)
将(2-23)、(2-16)式代入(2-17)式得
(dB)(2-25)
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
在通信系统中微波功率放大器是一个不可或缺的重要部件,但功率放大器的非线性导致通信系统带外的频谱杂散、旁瓣再生却难以避免;并且非线性失真信号给带内也带来了失真影响,影响接收机的比特误码率。
随着无线通信的飞速发展,线性调制技术得到越来越广泛的应用。
通过采用一些可靠的
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- 微波 功率放大器 仿真 设计 本科 论文