基于谐波平衡法的射频功率放大器分析与仿真

摘 要:随着射频频段的不断提高,功率放大器表现的非线性现象越来越严重。为了实现在大功率作用下快速方便地分析和设计射频电路,介绍一种射频功率放大器的分析与仿真方法:谐波平衡法。在ADS2002仿真环境下,利用谐波平衡法对一种LDMOS器件的非线性参数进行了单音和双音频率下的仿真,通过对仿真结果的分析,突出显示了在大功率作用下,谐波平衡法在设计与研发射频电路方面的优势。

关键词:谐波平衡法; 射频功率放大器; 非线性分析; ADS仿真

中图分类号:TN911 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)09-0063-04

Analysis and Simulation of RF Power Amplifier Based on Harmonic Balance Method

YAN Bo, LIU Xi-shun, LIU An-zhi

(National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract: In view of the continuous improvement of radio frequency band, nonlinear phenomena of power amplifier is more and more serious. Analysis and simulation method of RF power amplifier named harmonic balance method is introduced for achieving the analysis and design of RF circuit in a high power. In ADS2002 simulation environment, a non-linear parameter of LDMOS device is simulated in the mono and two-tone frequency with a harmonic balance method. Through the analysis of simulation results, the harmonic balance method has advantages in the design and development of RF circuit in a high-power.

Key words:harmonic balance method; RF power amplifier; nonlinear analysis; ADS simulation

0 引 言

近年来,随着无线通信业务的快速发展,通信频段已经越来越拥挤。为了在有限的频率范围内容纳更多的通信信道,出现了多种通信体制。频分多址、时分多址、码分多址已用于现代数字通信,多载波码分多址和正交频分多址体制相继出现。这些系统都具有共同的特点,多载波、大动态范围,对射频输出功率放大器(PA)的线性度要求非常苛刻。功率放大器总是应用在大信号状态,或工作在1 dB压缩点附近,此时非线性变得非常严重。功率放大器的AM-AM/AM-PM失真会导致已调信号的幅度和相位出现偏差,交调失真会导致频谱扩展对多载波通信系统的邻道信号产生干扰,最终都会导致通信误码率的恶化,影响通信质量。因此,在放大器模型的基础上,如何定量地描述和分析其非线性及其对通信系统的影响具有相当的工程参考意义。

目前,对于功率放大器的非线性分析主要有幂级数法、Volterra级数法、谐波平衡法和神经网络法。幂级数分析和Volterra级数分析对多个小信号激励的弱非线性电路分析是十分有用的,并可用于解决各种各样的实际问题,但对多频率大信号激励下强非线性电路的大功率放大器却无能为力。神经网络法目前还属于非线性电路研究领域中的前沿课题。谐波平衡法是分析单一频率信号激励强或弱非线性电路的最有用方法,可用于PA的非线性分析。本文主要用谐波平衡法来分析功率放大器的非线性特性,并在ADS2002仿真环境下,用谐波平衡法对功率放大器进行了仿真分析。

1 谐波平衡法的基本原理[1]

谐波平衡法的基本思想是找一组端口电压波形(或谐波电压分量),它应能使线性子网络方程和非线性子网络方程得到的电流相同。实质上就是建立谐波平衡方程,然后采用适当的方法求解。它建立方程简单,但计算比较复杂,如图1所示。

线性子电路部分采用多端口网络处理,采用Y或S矩阵表示。非线性子电路采用非线性元件的I/V或Q/V的时域特性描述,为了表示源和负载阻抗,在线性部分加入两个电压源,把整个电路简化为N+2个端口的网络。把端口各频率的电流分量用向量表示,这里INK表示线性子电路中第N端口的第K阶谐波分量的向量;NK表示非线性部分向量,由各端口电压和非线性元件决定。

图1 一个非线性射频电路被分成线性和非线性子电路

线性部分采用线性方法求解为:

NK+NK=0(1)

(N+2)×1=(N+2)×(N+2)•(N+2)×1(2)

In=[In,0In,1…In,k]T(3)

Vn=[Vn,0Vn,1…Vn,k]T(4)

式中:In,Vn向量为第n个端口上的谐波电流和电压┫蛄俊

在式(2)中导纳矩阵Y的元素多是对角矩阵。Ym,n=diag[Ym,n(kωP)],k=0,1,2,…,K;ωP为基波激励频率,激励电压向量分别为端口N+1,N+2的直流偏压,VN+1,VN+2的形式为:

VN+1VN+2=[Vb1VS00…Vb20…0]T(5)

当第N+1端口激励时,此端口有一直流偏压和┮桓龌波偏压,N+2端口只有一个直流偏压,这正对于FET放大器的情况,把Y矩阵分开,可得端口1～N的电流向量I的表达式,即:

I1I2IN=Y1,N+1Y1,N+2Y2,N+1Y2,N+2螃YN,N+1YN,N+2VN+1VN+2+

Y11Y12…Y1NY21Y22…Y2N螃螵鳓YN1YN2…YNN•V1V2VN(6)

I=IS+YN×NV(7)

相当于把线性部分等效成N个电流源,N+1,N+2端口不存在了。

非线性部分可以是非线性电容或非线性电阻、电导等。采用傅里叶反变换就可以得到每个端口的时域电导:

R-1{Vn}Vn(t)(8)

对一个非线性电容,电荷与电压的关系为:

qn(t)=fqn[v1(t),v2(t),…,vN(t)](9)

用傅里叶变换,有:

IC=jΩQ(10)

式中:

Q=[Q1,0Q1,1…Q1,KQ2,0…Q2,K…QN,K]T

Ω=diag[0 ωP 2ωP … kωP 0 ωP … kωP]

IC=[IC,1 IC,2 … IC,N]T

把式(7),式(10)代入式(1)有:

F(V)=IS+YN×NV+jΩQ=0(11)

式(11)称为谐波平衡方程,当F(V)=0时,说明求解的这组电压就是正确解。通过这个解可以求出任何元件上的电压、电流,因为结果是多谐波的,对电路的非线性现象就可以利用结果来很好的描述。求解谐波平衡方程有多种算法,如:优化法、分裂法、牛顿法和反射算法等,算法的优劣程度决定了计算的时间,实际应用时根据具体情况选择[2]。

2 谐波平衡法仿真原理

谐波平衡法仿真着眼于信号频域特征,擅长处理对非线性电路的分析。如果调制的周期性信息可以用简单的几个单载波及其谐波表示出来,或者说如果其傅里叶级数展开式很简单的话,谐波平衡法仿真是一个有效的分析工具。

谐波平衡法仿真允许对电路进行多频声仿真,可以展示包括谐波间频率转换的交调频率转换。从数学方法上来讲,谐波平衡法是一种迭代法,假定对于一个给定的正弦激励有一个可以被逼近到满意精度的稳态解,则采用谐波平衡仿真器可以确定电流或电压的频谱成分、计算参数(如:三阶截取点、总谐波失真及交调失真分量)、执行电源放大器负载激励回路分析、执行非线性噪声分析等功能。

3 ADS仿真[3]

本文仿真了一个输出为0.25 W的射频功率放大器,晶体管选用Motorola的LDMOS功放管(为一款测试功放管,类似MRF9742),该模型的构造是利用导入数据文件“Motorola-mosfet-h”实现的。本仿真利用谐波平衡仿真法来分析该功放管的非线性表现。1 dB压缩点的输入功率为14 dBm,仿真时用到的双音频中心频率为850 MHz,频率扫描间隔从10 kHz~10 MHz。在ADS中设计的仿真电路图如图2所示,图中的MotorolaPA是一个封装模块的示意图,如图3所示。┩4为放大器的增益特性曲线,图中的标识m2为其1 dB压缩点,图5为单音谐波仿真的放大器AM/AM,AM/PM特性曲线图,可以看到输人为14 dBm时,输出信号的功率为27 dBm,输出相位发生了122.46°的相移。图6为其在850 MHz附近的输出频谱图,m2为其输出三阶交调点[4-5]。

图2 用于谐波平衡法的仿真电路图

图3 MotorolaPA电路符号的子电路

图4 电路增益与输入功率的关系曲线

如图7(虚线代表增益),图8,图9所示。当该款功放管的输入功率为14 dBm时,当输入频率增加到1 GHz时,它的转换功率增益,转换效率都会明显下降,而且三阶交调分量在900 MHz以上时也会明显增大,因此频率增大会影响其非线性参数,要严格控制,以免影响通信质量。

图5 功率放大器AM/AM,AM/PM特性图

图6 Vout在850 MHz附近的频谱图

图7 输出功率和增益随频率变化曲线

图8 转换效率随频率变化特性曲线

图9 IMD3随频率的变化曲线

4 结 语

通过查找Freescale提供的有关Motorola-Mosfet晶体管的特性曲线和实验室的测量结果,并结合以上的分析和仿真实例可知,仿真结果基本上与厂家的测量结果一致,但也有一些微小的差别,这主要是因为实际的器件和仿真模型不完全相同,另外仿真电路有某些理想的元件。在电路仿真中,可以通过优化电路参数达到放大器的性能要求,但通过实际选用器件并制版后,由于各种原因可能不能达到性能要求,这时需要根据测试的结果调整所选用的器件,最后达到性能要求。

谐波平衡法在分析和仿真射频功率放大器方面有很大优势,可以看到它能有效地补充纯电路仿真法的不足,并能得到与实际更接近的仿真结果,从而有利于进行实际电路的设计与调试。这项工作对耗时长并难以预计结果的大功率射频功率放大器的研发具有特别的益处,虽然仿真不能完全取代实际调试,但对实际工作具有指导意义[6]。

参考文献

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