基于ADS的多級功率放大器設計與仿真

摘要：對北斗衛星導航射頻模塊的發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，其設計結果優于設計目標，為后期進一步研究北斗導航系統和自主設計北斗導航系統發射部分芯片奠定了基礎。
關鍵詞：北斗衛星導航系統；功率放大器；ADS；發射機；負載牽引

0 引言
北斗衛星導航系統是中國自行研制開發的區域性有源三維衛星定位與通信系統，是除美國的全球定位系統、俄羅斯的GLONASS之后第三個成熟的衛星導航系統。北斗衛星導航系統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射機電路。其發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，再通過天線發送給衛星。
本文對發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射部分
射頻模塊的發射部分可采用如圖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”衛星導航系統的射頻收發芯片，集成了接收通道、發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功能，大大減小了產品體積，降低了系統成本。其發射通道輸出功率為-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，AB類功率放大器的優點是輸出功率較大，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，穩定直流饋電的目的。