功放管仿真设计及实物调试
一、MRF8S18120H简介
它是专门为频段从1805MHz到1880MHz范围内的GSM和GSM EDGE的基站应用而设计的功率管。通常工作在AB类或者C类。
二、MRF8S18120H原理图电路仿真
MRF8S18120H稳定性分析判断
新建电路图如下图2-1所示，加入仿真控件StabFact和StabMeas,偏置部分和射频输入输出端口分别用理想电感和理想电容代替。
图2-1
下图2-2为图2-1的仿真结果，图中可看到曲线StabFact在1805~1880MHz范围内均大于1，曲线StabMeas在1805~1880MHz范围内均小于1。结果说明管子在该频率范围内是无条件稳定的。
图2-2
直流扫描
这个步骤是为了获得管子的静态，通过I-V特性曲线找到合适的栅压与静态电流，其值与datasheet应相近。下图2-3为MRF8S18120H的扫描结果。
图2-3
偏置电路设计
偏置电路很重要，偏置电路要保证直流能无损耗的加到管子的栅极和漏极，而对射频信号是开路。对于频率不是很高的信号，偏置电路一般可用射频扼流圈（或者电感）以及电容构成，对于频率较高的信号，偏置电路多采用中心频率1/4波长的传输线设计，因为频率越高电感的寄生效应越大，对信号的传输有较大的影响。此偏置电路设计采用中心频率1/4波长的传输线设计。考虑到微带线的线宽与承受电流的关系，漏极承受的电流达8A,而栅极电流不足1A，因此栅极偏置采用较窄的传输线，漏极采用较宽的传输线。利用ADS软件中的LineCalc控件，设置好板材参数，可方便的计算出1/4波长的传输线的长度。图2-4和图2-5分别为栅极偏置电路和漏极偏置电路的设计。
图2-4
图2-5
图2-6和图2-7分别为栅极偏置电路和漏极偏置电路的仿真，图中显示在中心频率点处对射频呈现高阻抗对直流呈现低阻抗。仿真结果说明偏置电路设计合理。
图2-6
图2-7
LoadPull和SourcePull
首先进行LoadPull仿真，调用LoadPull模板，电路图中的频率源中的功率应从小功率设定，根据管子说明书预估一下最小值。在仿真过程中如果输出功率小于管子的饱和功率值，可逐渐增大频率源中的功率值。
下图2-8为Loadpull仿真电路图，其仿真结果如图2-9所示。
图2-8 Loadpull 电路图
2-9 Loadpull仿真结果
图2-10为Sourcepull仿真电路图，其仿真结果如图2-11所示。
图2-10 Sourcepull仿真电路
图2-11 Sourcepull仿真结果
输入、输出匹配设计
利用Smithchart工具，把输入、输出阻抗匹配到50Ω，然后设定好板材把理想微带线转换为实际的微带线尺寸。板材选用Rogers4350B,板厚度30mil,介电常数0.02。下图2-12和2-13分别为输入匹配电路和输出匹配电路。
图2-12 输入匹配电路
图2-13 输出匹配电路
MRF8S18120H的完整电路图及S参数仿真
把输入、输出匹配电路，栅极、漏极偏置电路接入MRF8S18120H管子中，完整的电路图如下图2-14所示。
图2-14 MRF8S18120完整电路图
为了便于电路调谐，对电路中的元件值进行参量化，并为各个参量设置合适的变化范围和步进。调谐可以采用自动优化和手动调谐两种方法，由于此处变量较少手动调谐相对自动优化方法更快，因此采用手动调谐方法。小信号S参数仿真关心的主要指标是S11和S21,因此调谐的目标就是优化S11和S21这两个指标。图2-15为经过调谐后得到的S参数仿真结果。
图2-15 小信号S参数仿真结果
三、版图设计、Momentun仿真和联合仿真
把上述调谐完成并更新到原理图中的电路做一些处理便可以自动生成版图，令MRF8S18120H管子、接地端、仿真控件、以及电容均失效，根据MRF8S18120H管子的尺寸调整版图布局，最终生成的版图如下图2-16所示。
图2-16 电路版图
图2-16中需要说明的是，在输入和输出50Ω微带线处各有一段是隔断的，这个隔断区域是用于在联合仿真时接电容的，在生成版图之前，已经用ADS库中的MGap元件替代电容了，这样做的好处是在Momentum仿真时这个隔断区域能把电容的影响考虑进去，使仿真的结果更准确。
Momentum仿真
版图布局完成后，先添加PORT，需要把原理图中失效的电容接口也加上，为了模拟MRF8S18120H的引脚影响，在版图中的管子栅极和漏极接口处均伸出宽度为0.1mm，长度个管子的引脚长度相等的小矩形。然后设置Substrate的参数，即把板材Rogers4350B的参数填进去。接着设置仿真频率，频率设置从DC开始，最大频率应包含管子的工作频段。选中Update EM Model when simulation is launched，在仿真结束时，EM Model 就会自动生成。这个EM Model 便是Momentum仿真所要的模型。图2-17为Momentum 仿真后的版图。
图2-17 Momentum 仿真版图
联合仿真
新建一个原理图，调出Momentum 仿真得到的EM Model，新的电路图如图2-18所示。
图2-18 联合仿真电路图
同样的把电路中的电容进行参量化，进行手动调谐，使得S参数仿真结果最佳。然后失效电路中的仿真控件和电源，并在输入、输出端口，栅极、漏极偏置电路接入点添加port，最后进行打包生成Symbol。图2-19为联合仿真电路的小信号S参数仿真结果图。
图2-19 联合仿真S参数
大信号谐波仿真
首先新建原理图，调用谐波仿真模板。修改模板，插入 联合仿真电路生成的Symbol，把模板中的电容电感均短路掉，因为Symbol中的电路已经做好了偏置。设置合适的栅压值、漏压值和中心频率，在扫描计划中设置好合适的输入功率值。下图2-20为大信号谐波仿真电路图。
图2-20
谐波仿真时电路图中的电容用的是muruta模型库中的电容，仿真的结果与实际测试的结果更加接近，通过改变电容的容值不断优化管子的增益、P1dB、PAE、谐波等指标。图2-21为调谐完成后的大信号谐波仿真结果。
图2-21 单音谐波仿真结果
下图3-18为单音条件下，MRF8S18120H对谐波抑制能力的仿真结果。
图3-15 谐波抑制结果
图中可看出MRF8S18120H的P1dB约为51.5dBm，增益为18.5dB，在输出功率为51.5dBm时的效率为57.8%，电流为8.35A。
四、仿真设计过程中出现的问题及解决方法
1）loadpull仿真不收敛，多次loadpull仿真得到的最佳输出阻抗和最大输出功率每次都不同。
在仿真过程中有时候会出现不收敛的情况，造成这种情况的原因有多种:1、选择的反射系数圆的半径过大或者圆心偏离收敛圆的圆心；2、设置的仿真点数太多；3、频率源中的功率值给的太大。上述三点中的值设置不合适均会造成仿真不收敛。
另外Loadpull和SourcePull过程需要反复迭代进行，即在SourcePull仿真时把Loadpull仿真的阻抗值作为SourcePull负载，然后把SourcePull得到的输入阻抗作为Loadpull的输入阻抗，如此来回反复迭代，直到最后仿真的结果不再随输入功率的增加而变大。这样得到的输入输出阻抗较为准确。
2）Momentum仿真时的频率设置没有包含DC，联合仿真结果出错。
因为直流偏置电压是从微带线加载进去的，若频率设置不包含DC，当Momentum仿真完成后生成的EM Model不能通过DC信号，导致联合仿真时管子没有偏置电压。
3）输出匹配电路的设计对高次谐波的抑制能力。
若输出端采用LowPass结构进行匹配，那么管子的谐波抑制能力会较较，LowPass结构可以有效的抑制高次谐波的信号的输出。输出端若采用HighPass结构，那么输出信号中将出现各种高次谐波，影响信号的质量。
五、实物测试
下图5-1为组装完成的MRF8S18120H测试板.
图5-1
图5-2所示为测试管子的输入回波损耗和增益的平台。经调试后最终管子的输入回波损耗和增益结果如图5-3所示。
图5-2 测试平台
图5-3 矢网测得的输入回波损耗和增益结果
用FFPA1800MHz功放模块作MRF8S18120H的推动级，FFPA1800MHz功放的增益为48dB，P1dB为49dBm。下图5-4为搭建好的大信号测试平台。
图5-4 大信号测试平台
经过调试后，最终测得的MRF8S18120H数据如下表所示。
F(MHz) | G(dB) | P1dB(dBm) | P3dB(dBm) | Ids(A) | η(%) |
1805 | 16.2 | 51.8 | 53 | 3.10 | 43.7 |
1842.5 | 15.8 | 51.9 | 53.1 | 3.30 | 42.6 |
1880 | 15.8 | 51.5 | 52.8 | 3.02 | 42.2 |
六、总结
通过ADS软件仿真，完成了MRF8S18120H功放管的原理图设计、稳定性分析、S参数仿真、版图设计、联合仿真以及谐波仿真的工作。对比仿真结果与datasheet所给数据，此次仿真基本验证了管子在1805MHz~1880MHz频段内的性能，仿真结果具有一定的可信度。管子的实测结果与datasheet所给数据存在一定的差别，实测的功率增益略小于datasheet上的增益，P1dB和P3dB略大于datasheet的数据。此次由仿真结果来预估实物测试结果，验证了管子的实际性能和datasheet所给数据基本吻合，达到看此次仿真和调试目的。
