1.3 逆F类功率放大器的ADS电路原理图仿真

电路原理图仿真是功率放大器总体仿真的第一步，它又分为两个步骤：首先用设计好的理想模型进行仿真，再转化为实际参数微带线模型进行仿真。相较于理想模型，实际参数微带线模型更接近实际，也可以较方便地转化为版图模型。

1.3.1 理想模型仿真

执行菜单命令【File】→【New】→【Schematic…】，新建名为“SCH1”的电路原理图。进入电路原理图后，执行菜单命令【Insert】→【Template】，弹出【Insert Template】对话框，在【Schematic Design Templates】列表框中选择【ads_templates：S_Params】，插入 S 参数扫描模板。

在元件面板列表【CGH40_r6】中选择【CGH40025F】，将其添加到电路原理图中；在元件面板列表【TLines-Ideal】中选择2条理想传输线（TLIN） ，将其添加到电路原理图中；在元件面板列表【Sources-Freq Domain】中选择2个直流电源（V_DC） ，将其添加到电路原理图中；在元件面板列表【muRataLibWeb Set Up】中选择库文件（muRataLibWeb_include ），将其添加到电路原理图中；在元件面板列表【muRata Components】中选择2个GRM18系列电容 ，将其添加至电路原理图中。

将电路原理图Stability、INMATCH、OUTMATCH中设计好的理想模型复制到SCH1电路原理图中，按图1.64所示连接各个元件。

双击 S 参数仿真器 ，将频率参数设置为Start=1.8GHz、Stop=3GHz、Step=0.01GHz。双击栅极电源（图中SRC1），将其电压参数设置为Vdc=-3V。双击漏极电源（图中SRC2），将其电压参数设置为Vdc=28V。将电源处的两根四分之一波长传输线的参数修改为E=90、F=2.4GHz。双击输入和输出部分的GRM18村田电容模型，在弹出的窗口中将【PartNumber】修改为581：GRM1885C1H9R0CA01的9pF贴片电容模型。修改好后的电路原理图如图1.65所示。

单击工具栏中的图标 进行仿真，在弹出的仿真结果窗口中找一处空白的区域，单击左侧【Palette】控制板的 按钮，在空白区域单击鼠标左键放置图表，弹出【Plot Traces&Attributes】对话框，如图1.66所示。选择【Plot Type】选项卡，双击【Datasets and Equations】列表框中的【S（1，1）】，将目标参数加入【Traces】列表框中（在弹出的【Complex Data】对话框中选择【dB】）；重复上述步骤，添加参数【S（2，1）】。单击【OK】按钮，生成 S 参数图表，如图1.67所示。

从仿真结果可以看出，功率放大器整体仿真出现了频率偏移的现象，接下来进行参数调节。

功率放大器回波损耗和驻波比与输入匹配关系较大，因此主要通过调节输入匹配参数来修正 S 参数偏移。打开SCH1电路原理图，双击输入匹配网络中最靠近晶体管的传输线（此处为TL3），弹出【Edit Instance Parameters】对话框，如图1.68所示。在【Select Parameter】列表框中选择 Z 参数，单击【Tune/Opt/Stat/DOE Setup..】按钮，弹出【Setup】对话框，如图1.69所示；在【Tuning Status】栏中选择【Enabled】，将参数修改为Minimum Value=1 Ohm、Maximum Value=50 Ohm、Step Value=1 Ohm；单击【OK】按钮。按照同样的步骤，设置 E 参数：Minimum Value=0 Ohm、Maximum Value=180 Ohm、Step Value=1 Ohm。设置完毕后，单击【Edit Instance Parameters】对话框中的【OK】按钮，完成参数设置。

用同样步骤，为输入匹配网络中的另一条传输线添加调节参数。除了采用上述方法，还可以直接把调节代码添加进参数，格式为【tune{起始数值 单位to终止数值 单位by变动数值 单位}】，例如：【tune{1 Ohm to 50 Ohm by 1 Ohm}】，表示从1Ω到50Ω，每次调节1Ω。对于无单位变量，可以不加单位，如【tune{0 to 180 by 1}】。将调节代码直接复制或输入在参数后面，该参数就成为调节参数，如图1.72和图1.73所示。

添加完调节参数后，单击工具栏的参数调节图标 ，进入调节模式，弹出【Tune Parameters】对话框，如图1.74所示。

同时打开SCH1的仿真结果图和参数调节界面，调节4项参数，直至仿真结果达到预期效果为止。调节完毕后的输入匹配网络参数和仿真结果如图1.75所示。

在实际工程中，通常要求功率放大器的驻波比VSWR小于2，换算至S（1，1）约为小于-10dB。由此可见，调节后的指标达到了要求。

接下来进行大信号仿真。首先将SCH1元件化，单击工具栏中的端口图标 ，为SCH1电路原理图添加I/O端口和供电端口，如图1.76所示。

端口添加完毕后，在主界面【Folder View】选项卡中用鼠标右键单击【SCH1】的Cell，在弹出的快捷菜单中选择【New Symbol】，如图1.77所示；弹出【New Symbol】对话框，如图1.78所示；单击【OK】按钮，弹出【Symbol Generator】对话框，如图1.79所示。在【Symbol Type】区域选中【Quad】选项，在【Order Pins by】区域选中【Orientation/Angle】选项；单击【OK】按钮，生成电路原理图符号，如图1.80所示（说明：生成的元件符号有可能与图1.80不完全一致，但对仿真结果没有影响）。

电路原理图符号创建完毕后，任意打开一张电路原理图，按图1.81所示执行菜单命令【DesignGuide】→【Amplifier】，弹出【Amplifier】对话框，如图1.82所示；选择【1-Tone Nonlinear Simulations】→【Spectrum，Gain，Harmonic Distortion vs.Power（w/PAE）】，然后单击【OK】按钮，生成大信号功率扫描模板，如图1.83所示。

将默认模板中间的晶体管删除，选中供电处的两个电感，单击工具栏中的短路图标 ，将其短路。单击左上方工具栏中的器件库图标 ，弹出【Component Library】对话框，如图1.84所示。

在左侧列表框中选择【All Libraries】→【Workspace Library】，在右侧【Component】栏中选中【SCH1】（注：若未找到，可重启ADS后再次尝试），双击【SCH1】后可在电路原理图中选择添加，然后将相应端口连接至相应位置，如图1.85所示。

接下来进行参数设置：双击【VAR1】变量控件，将其参数设置为RFfreq=2400MHz、Vhigh=28V、Vlow=-3V，该组参数为电路参数。双击【SWEEP PLAN】控件，弹出【Sweep Plan】对话框，如图1.86所示。单击【Add】按钮，添加新的扫描段，将新增段的参数修改为Start=15、Stop=32、Step-size=0.5；单击【OK】按钮，完成参数设置，如图1.87所示。

单击图1.87中的元件【SCH1】，然后单击工具栏中的下一层图标 ，打开该元件的电路原理图，利用工具栏中的禁用图标 ，将SCH1电路原理图中的电源元件【SRC1】和【SRC2】、端口元件【Term1】和【Term2】、 S 参数仿真控件【SP1】禁用，如图1.88所示。

完成禁用后，单击工具栏中的返回上一层图标 ，返回功率扫描电路原理图。单击工具栏中的图标 进行仿真，打开仿真结果窗口，在仿真结果图中找到表【Gain and Gain Compression】（表示增益和增益压缩随着输出功率变化的变化）和表【Power-Added Efficiency，%】（表示功率附加效率随着输出功率变化的变化结果），如图1.89所示。

由仿真结果可以看出，在2.4GHz处，该功率放大器在饱和状态下的功率附加效率可超过80%。

接下来进行频率扫描仿真。如图1.90所示，任意打开一张电路原理图，执行菜单命令【DesignGuide】→【Amplifier】，弹出【Amplifier】对话框，如图1.91所示；选择【1-Tone Nonlinear Simulations】→【Spectrum，Gain，Harmonic Distortion vs.Frequency（w/PAE）】，然后单击【OK】按钮，生成大信号功率扫描模板。

将默认模板中间的晶体管删除，选中供电处的两个电感，单击工具栏中的短路图标 将其短路。单击工具栏中的器件库图标 ，弹出【Component Library】对话框。在左侧列表框中选择【All Libraries】→【Workspace Library】，在右侧【Component】栏中选中【SCH1】（注：若未找到，可重启ADS后再次尝试），双击【SCH1】后可在电路原理图中选择添加，然后将相应端口连接至相应位置，如图1.92所示。

接下来进行参数设置：双击【VAR1】变量控件，将其参数设置为RFpower=29_dBm、Vhigh=28、Vlow=-3，该组参数为电路参数。双击【HARMONIC BALANCE】控件，将其参数修改为Start=2000MHz、Stop=2800MHz、Step=10MHz。完成参数设置的大信号频率扫描电路原理图如图1.93所示。

单击工具栏中的图标 进行仿真，仿真结束后，在仿真结果图中找到表【Power-Added Efficiency，%】（表示功率附加效率随频率变化的结果）。大信号频率扫描仿真结果如图1.94所示。

由图中可以看出，最高效率点有一定的偏移，由于功率放大器存在非线性，其最佳效率、回波损耗和增益等指标所对应的频率有可能不重合，必须综合考虑。

1.3.2 微带线模型仿真

理想模型采用的是理想传输线模型，与现实中的传输线有一定的差别，所以在完成理想模型仿真后，还要进行微带线模型的电路原理图仿真。ADS提供丰富的微带线元件，并可轻松转化为版图。

执行菜单命令【File】→【New】→【Schematic…】，新建名为“SCH2”的电路原理图，然后可以参照前文介绍的理想微带线模型仿真步骤，添加除传输线外的元件和端口。本节采取另一种方法，直接将SCH1电路原理图中的元件复制到SCH2电路原理图中，并删去所有理想传输线模型；接下来将理想传输线模型转化为实际微带线模型。

打开SCH2电路原理图，按图1.95所示执行菜单命令【Tools】→【LineCalc】→【Start LineCalc】，打开【LineCalc/untitled】对话框，如图1.96所示。

将本案例所用RO4350B板材的参数输入【LineCalc/untitled】对话框：将【Substrate Parameters】区域的参数设置为Er=3.66（此为RO4350B的设计推荐值，与生产实际值有所区别）、H=20mil、T=35um、TanD=0.0035，其他参数保持默认；在【Components Parameters】区域设置参数为Freq=2.4GHz；将【Physical】区域的单位全部设置为【mm】。至此，参数设置完毕，之后只须在【Electrical】区域输入阻抗和电长度参数，然后单击【Synthesize】按钮，即可换算出相应的微带线长宽，如图1.97所示。

将SCH1电路原理图中的理想传输线参数换算成微带线参数，并将相应模型加入SCH2电路原理图中。打开SCH2电路原理图，在元件面板列表【TLines-Microstrip】中选择板材基板控件（MSub） ，将其添加至电路原理图中的空白处，并将参数修改为Er=3.66、H=20mil、T=35um、TanD=0.0035，其他参数保持默认值，如图1.98所示；在元件面板列表【TLines-Microstrip】中选择微带线模型（MLIN） 若干，如图1.99所示，将其添加至电路原理图中；按照SCH1电路原理图中的结构进行连接。完成连接的微带线电路原理图如图1.100所示。

将电路原理图中所有微带线参数设置为由【LineCalc/untitled】对话框计算出的参数。修改参数后的微带线电路原理图如图1.101所示。

由于理想传输线模型为理想连接，在其转化为微带线模型后，应变更为实际的连接方式，以贴近现实情况，这样也更容易将其转换为版图。此外，最好将微带线模型参数化，使参数更加直观，调节起来会更加方便，同时也增加了工程规范程度。

将抽象连接转化为实际连接的主要步骤是添加各个连接模块。在本案例中，需要在三条传输线交叉处加入“T”形支节（MTee） （如图1.102所示），在拐角处加入拐角微带线（MSABND） （如图1.103所示），在宽度过渡处按需加入渐变微带线（MTAPER） ，如图1.104所示。

双击上述元件，打开【Edit Instance Parameters】对话框，如图1.105所示。单击【HELP】按钮，可以查看元件的参数属性，并且在所有电阻、电容、电感处加入相应焊盘（焊盘通常用微带线代替）。以上元件均位于元件面板列表【TLines-Microstrip】中。

添加变量参数的方式为：单击工具栏中的变量图标 ，在电路原理图空白处添加变量控件，如图1.106所示；双击变量控件，弹出【Edit Instance Parameters】对话框，在【Name】栏输入变量名、在【Variable Value】栏输入参数值，然后单击【Add】按钮即可，如图1.107所示。添加变量参数后，也可以在电路原理图中直接更改参数值，这就可以增加调节的方便程度。

将SCH2电路原理图中的微带线模型改为实际连接，并全体变量化，给所有变量添加调节参数（此过程较为烦杂，在此不过多赘述）。修改完毕的微带线电路原理图如图1.110和图1.111所示。

单击工具栏中的图标 进行仿真，弹出仿真结果窗口。在仿真结果窗口中找一处空白的区域，单击左侧【Palette】控制板中的 按钮，在空白区域单击鼠标左键放置图表，弹出【Plot Traces&Attributes】对话框，选择【Plot Type】选项卡，双击【Datasets and Equations】列表框中的【S（1，1）】，将目标参数加入【Traces】列表框（在弹出的【Complex Data】对话框中选择【dB】）；重复上述步骤，添加参数S（2，1）。

通常初次转化后的仿真结果会有一定的偏差，须要进行参数调节。返回SCH2电路原理图，单击工具栏中的参数调节图标 ，进入调节模式，弹出【Tune Parameters】对话框，如图1.112所示。

在【Tune Parameters】对话框中单击上下箭头，可按设定的Step值增减参数；也可以直接输入数值更改调节参数的最大值、最小值和当前值。调整参数，仿真结果也会随之相应变化。

通过调节工具调整参数到一个良好的仿真结果后，单击【Update Schematic】按钮，将仿真结果存储到电路原理图中，然后关闭【Tune Parameters】对话框。修改后的参数如图1.113所示，与之对应的 S 参数仿真结果如图1.114所示。

接下来将SCH2电路原理图元件化，进行大信号仿真。如图1.115所示，在主界面【Folder View】选项卡中用鼠标右键单击【SCH2】的Cell，在弹出的快捷菜单中选择【New Symbol】，弹出【New Symbol】对话框，如图1.116所示；单击【OK】按钮，弹出【Symbol Generator】对话框，如图1.117所示；在【Symbol Type】区域选中【Quad】选项，在【Order Pins by】区域选中【Orientation/Angle】选项，单击【OK】按钮，生成电路原理图符号，如图1.118所示。

打开SCH2电路原理图，利用工具栏中的禁用图标 ，将电源元件【SRC1】和【SRC2】、端口元件【Term1】和【Term2】、 S 参数仿真控件【SP1】禁用，并将Term端口和电源一起禁用，如图1.119所示。

打开先前已经创建好的HB1TonePAE_Pswp电路原理图，将原有的【SCH1】元件删除，单击工具栏中的器件库图标 ，将【SCH2】元件连接到电路中，如图1.120所示。

单击工具栏中的图标 进行仿真，打开仿真结果窗口，找到表【Gain and Gain Compression】和【Power-Added Efficiency，%】，如图1.121所示。

接下来进行频率扫描仿真。打开先前已经创建好的HB1TonePAE_Fswp电路原理图，将原有的【SCH1】元件删除，单击工具栏中的器件库图标 ，将【SCH2】的元件连接到电路中，如图1.122所示。

单击工具栏中的图标 进行仿真，得到的仿真结果如图1.123所示。

功率放大器的主要指标均为大信号指标，若大信号仿真结果不理想，应在大信号仿真的情况下进行参数调节。此处由仿真结果可以看出，无论功率扫描还是频率扫描，功率放大器都能得到良好的仿真结果。 Y3NOb/e+KtvJulYJUOtOAfeBTrhY4apjPdUBTaGG7bW1oMAPXJFr2ZhADlJ674uy