摘要： 針對LDMOS寬帶功率放大器匹配電路設計， 提出了一種快速、有效的方法。采用多節并聯導納匹配法得出寬帶匹配電路的初始值后， 利用ADS軟件對匹配網絡的S參數進行優化。仿真結果為： 在頻率范圍為1. 3 GH z~ 2. 3 GH z內， 兩端口的反射系數均小于- 25 dB, 匹配網路的傳輸系數接近0 dB。為實現更好的阻抗匹配， 再用ADS優化匹配網絡， 使其阻抗值更接近功率晶體管的實際輸出阻抗值。此方法對快速有效地設計寬帶功率放大器匹配電路有著很好的借鑒作用。

寬帶功率放大器除在軍用領域外， 在無線通信、移動電話、衛星通信網、全球定位系統、直播衛星接收、毫米波自動防撞系統、光傳輸系統等領域都有著廣闊的應用前景。

LDMOS功率晶體管較其它微波晶體管有著很好的熱穩定性， 頻率穩定性， 更好的線性度， 較大的線性增益， 更高的效率和較低的交叉調制失真。同時， LDMOS 是基于成熟的硅工藝器件， 成本較其它GaAs等器件低很多。因此， LDMOS 特別適用于新一代移動通信系統基站中的功率放大器。

阻抗匹配是微波功率晶體管放大器的設計關鍵， 合適的阻抗匹配網絡可以實現通頻帶內最佳的功率傳遞效率。即將晶體管放大器的輸入阻抗與信號源的內阻實現共軛匹配； 晶體管放大器的輸出阻抗與負載阻抗達到共軛匹配。前級晶體管的輸出阻抗與后級晶體管的輸入阻抗實現共軛匹配。

在阻抗匹配的并聯導納法中， 其所達到的阻抗匹配僅限于在工作頻率附近能達到的較好匹配。若工作頻率改變， 微波晶體管輸入、輸出阻抗（或導納）都會產生相應變化。因此要保持在較寬的工作頻帶內具有良好的共軛匹配， 就要采用多節并聯導納匹配法。其過程是將晶體管在不同工作頻率上測得的導納值描在導納圓圖上， 按頻率順序由低至高， 將導納值連成一條曲線。設計時， 據此曲線選用多個并聯導納， 從不同位置接入， 以實現在較寬頻帶內的共軛匹配。

假設并聯電納多接入點離晶體管的距離為l, 那么在不同工作頻率時， 晶體管導納值沿各自等駐波系數圓轉到并聯電納接入點所旋轉的波長數l / λ g是不同的l / 長< l / λ短。即在整個工作頻帶內， 高于中心頻率的各點導納值比低于中心頻率的各點導納值沿各自的等駐波系數圓移動距離所走過的波長數大。這樣， 從微帶線上的一點轉換到另一點， 其導納值隨波長的變化軌跡與原來的不同。這表明， 在整個工作頻帶內晶體管導納值變化的軌跡曲線， 在接入一段微帶線之后， 在頻段高端和低端得到不同的伸縮， 由此可使導納曲線變換到靠近圓圖的中心， 接近于匹配點， 從而達到寬帶匹配的目的。

1 設計思路

因輸入輸出匹配電路設計方法相似， 故在此僅以LDMOS晶體管放大器MRF281Z輸出匹配電路設計為例， 采用多節并聯導納匹配法得出寬帶阻抗匹配網絡的初始值， 再結合基于矩量法的ADS 軟件對目標進行優化， 從而快速有效地實現晶體管放大器的寬帶阻抗匹配。

2 負載牽引法獲得輸出阻抗

負載牽引法的原理就是放大器在大信號電平激勵下， 通過連續變換負載測試輸出功率， 然后在Sm ith阻抗圓圖上畫出等功率和等增益曲線。這樣就可以選擇適當的輸出阻抗， 準確設計功率放大器，達到所需的增益和輸出功率。

晶體管MRF281Z在1. 4 GH z到2. 2 GHz的各頻點的輸出阻抗經用ADS 負載牽引后的得到的最佳負載阻抗為表1。

表1 晶體管MRF281Z的輸出阻抗

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3 多節阻抗匹配網絡設計

為了向負載傳送最大功率或者使微波電路系統、傳輸系統處于或接近行波狀態， 需要用共軛匹配網絡。匹配網絡對于放大器的駐波比、功率增益、輸出功率等性能指標都有著決定性的制約。

在共軛匹配的條件下， 得到最大傳輸功率， 在這里我們取頻率f = 1. 8 GHz的輸出阻抗Z out= 7. 807+ j 6. 626的共軛阻抗Z*out = 7. 807- j 6. 626作為我們匹配端口的阻抗， 在Sm ith 圓圖中采用共軛匹配法進行四節微帶線匹配（如圖1、圖2所示）。

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圖1 多節微帶線實現阻抗匹配的Smith圓圖

4 用ADS仿真與優化設計

將上面得到的匹配電路用ADS進行仿真， 把各節微帶線的長度和寬度設為變量， 并對其進行優化（如圖3所示） , 步驟如下：

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圖3 用ADS對輸出匹配電路進行仿真及優化

（ 1）在原理圖中加入OPTIM 控件：

先用Random 進行初步優化， 再利用Gradient進行局部優化。

（ 2）加入優化目標GOAL控件：

在此， 我們先對匹配網絡的S參數進行優化， 具體的S參數優化目標控件配置表如表2所示。

表2 優化S參數目標控件配置表

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