基于負載牽引技術的射頻功率放大器設計

　　射頻功率放大器要輸出一定的功率給負載，利用負載牽引技術可以彈性地找到所需功率的負載點。這里描述了基于負載牽引技術的5.2-GHz WLAN 的功率放大器的設計方法， 采用CMOS 工藝設計了放大電路，接著對該放大電路進行負載牽引，在此基礎上設計輸進輸出匹配網絡，最后使用ADS軟件進行整體仿真，得到了滿足系統指標要求的功率放大器。

　　功率放大器處于通訊系統中信號發射機的最末端，用來放大信號，與小信號放大器不同， 它要輸出一定的功率給負載。效率是功率放大器的一個基本指標，就非恒包絡調制方式而言， 包絡中攜帶有用信息，因此又需要功率放大用具有一定的線性度。射頻功率放大器工作在大 信號狀態時，會由于晶體管的非線性而表現出較強的非線性特性，從而使得信號失真，所以小信號放大器的設計方法并不適合射頻功率放大器的設計。小信號分析法的發展主要是基于線性控制理論，線性控制理論發展了一系列行之有效的設計理論，這就使得小信號放大器 的設計變得簡單可靠。而大信號，則是非線性控制要關注的題目，但非線性控制理論中數理 運算十分復雜，沒有線性控制理論那樣簡單直觀。

　　利用負載牽引技術，可以在沒有大信號S參數的情況下，不斷變化負載阻抗，找到射頻功率放大器輸出功率最大(或效率最高)時的那個負載阻抗，即所謂的最佳阻抗。文中描述了5.2-GHz WLAN 的射頻功放的設計方法，借助高頻電路設計輔助軟件ADS 進行負載牽引， 然后設計輸出匹配網絡，接著設計輸進匹配網絡，在此基礎上進行優化。最后給出了增益、 輸出功率、附加效率等參數。

　　1 放大電路的設計

　　本次電路設計采用臺積電TSMC 0.18umCMOS 工藝，放大電路如圖1 所示，電路結構為差分形式，采取兩級放大，分別為驅動級和輸出級。驅動級采用差分的共源共柵(Cascode) 結構，可以提供適當的電壓增益;輸出級也是差分的共源共柵結構，在提供一定的電壓增益 的同時，還提供輸出功率，這種結構可以進步功放輸出電壓的擺幅，從而降低對晶體管最大 電流能力的要求，進步功放的效率。兩級之間采用的耦合電容Cp 和Cn，在進步隔離度的 同時起到級間阻抗匹配的作用。電感L1p、L2p、L1n、L2n 用作負載，電感Lnp 用來抵消源 極寄生電容對功放效率的影響，其中L1p、L1n 和Lnp 采用工藝庫里的片上螺旋電感來實現， 而L2p 和L2n 采用高Q值的鍵合線電感實現，這樣可以有效進步功放的增益。單路輸進信號經輸進匹配網絡由巴倫轉換成兩路信號Vinp 和Vinn，放大后的兩路信號Voutp 和Voutn 經輸出匹配網絡由巴倫轉換成一路信號送至天線。