作者 侯春色 楚岩 长安大学 电子与操控工程学院(陕西 西安 710064)
侯春色(1990-)，男，硕士生，研讨方向：操控工程;楚岩，女，教授，研讨方向：电子技能运用、仪表仪器。
摘要：信息时代的到来极大地改动了人类社会的出产、日子、作业和学习办法。射频功率放大器不只在通讯体系中得到广泛运用，还逐步被运用于其他领域内。本文为一种新式射频导热医治仪所规划的大功率射频放大器电路，满意作业于射频低端。凭借ADS仿真软件选用负载牵引技能的规划办法，经过对全体功率、功率增益、功率容量等一系列的比照。得出最佳输入、输出阻抗，并进行阻抗匹配电路的规划。在此基础上对整个功率放大电路进行谐波平衡优化仿真，显现到达杰出的规划作用。
导言
关于射频功率放大器在医疗方面的运用，因为欧美等发达国家在此技能领域展开了较早的重视和研讨，其科研成果处于前沿位置[1]。而该职业在国内研讨起步较晚，加上技能壁垒，大多还处于开始研讨和试验阶段。
本文所规划的新式射频导热医治首要硬件部分是一种大功率射频放大器电路，旨在集成以往中小功率的该类产品，不只能够大大削减器材的运用，节省本钱，还进步了体系的安稳性和空间、体积上的优势。其输出端经过功分器可直接与施加在患者身体部位的导热针相连接，然后到达运用射频电磁波作用于人体病变安排，消除肌体中无菌性炎症，松解肌肉痉挛，增加部分供血，促进安排修正和肌细胞再生，然后免除软安排痛苦的医疗保健作用。信任不久的将来，此类技能成果会逐步运用到保健按摩、部分美容，乃至微创外科手术中去，并将创始医学领域的新亮点。
1 功率放大电路性能方针
作业频率：540kHz左右;输出功率:200~300W(输入1W);功率增益：≥23dB;增益平整度：≤4dB;作业温度：-40℃～+65℃。其它参数没有特殊要求，就按本领域规划的一般要求来设定。
规划要求540kHz的作业频率归于射频领域内的低频率规模，挑选器材时要考虑此频率下的仿真特性与等效模型。考虑到功率放大器输出寄生电容要求在pF量级，输出功率要求为54dBm，可挑选市面上一致封装在一起的互补对管满意大功率、高增益的需求，以及饱尝住过流、耐压，满意的裕量值和杰出的散热规划。一起在进步功率、避免引进额外损耗、精简体积、增加全体安稳性上大有裨益。终究本规划功率放大器材选用Freescale公司(已被NXP公司收买)出售型号为MRF6VP5300N的LDMOS晶体管。它的器材模型和根本参数如图1及表1所示[2]。图1中的“FSL_TECH_INCLUDE”是仿真时的控件，用于支撑模型库。模型下面的参数TNOM指环境温度，TSNK、RTH、CTH分别是热沉温度、热电阻系数、热电容系数，无特殊要求一般挑选默许值。
在AB类作业状态下，参阅作业频率是1.8～600MHz，额外输出功率54.8dBm，增益24.8dB。在VDD=50V，1MHz状况下，其漏极寄生输出电容为lpF。以上方针满意咱们的规划要求。其漏极最大作业电压为65V，能够确保本论文规划的要求。经过晶体管直流特性剖析，能够确认其栅极偏置电压。规划方针输出功率在300W左右，为了便于匹配，咱们一致挑选匹配电阻为50Ω。一起，考虑到其他引进的损耗，要恰当地进步漏极电压，预设晶体管漏极最高电压理论上为53.4V，低于晶体管额外漏极电压，确保晶体管的安全作业。
2 射频功率放大电路的仿真规划
跟着计算机仿真技能的不断发展，现在许多公司推出的商业仿真辅佐软件经过一代代的更新，许多功用现已做得很完善，比如可直接调用负载牵引仿真工程，而不再让运用者像以往那样萧规曹随，软件本身集成Smith圆图东西，能够直接在射频功率电路中进行阻抗匹配网络的规划。本规划选用的Agilen ADS辅佐规划软件进行射频仿真。
2.1 直流作业点仿真
直流偏置仿真电路如图2所示，该电路运用了ADS内置的场效应管的直流仿真模块FET Curve Tracer，图2中显现了电路仿真常温(25℃)下漏级电流随栅源电压VGS和漏源电压VDS的改动状况。其间Motorola LDMOS管有三个参数：TSNK——Heat Sink Temp、RTH——Thermal Resistance coeff.、CTH——Thermal Capacitance，该电路均运用默许值。仿真图中纵坐标IDS的单位是“A”，横坐标VDS的单位是“V”。图2中的FET Curve Tracer是直流仿真模块，右侧的VGS、VDS的值分别是仿真时栅源电压和漏源电压的扫描规模。图2左边方框是指在m1标志点处，即VDS为50 V，VGS为2.7V，作业电流IDS为170mA时耗费功率为8.833W。右侧是不同静态作业条件下的仿真曲线。
关于因为要求不同的静态作业点，同一器材的信号特性是有不同的;作业频率的不同，也导致表现出不同的器材特性。经图2仿真图示标明，该作业状态下的栅极电压值为2.7V，从而确认其静态作业点(VDS为50V，VGS为2.7V)，作业电流IDS为170mA[3]。
2.2 偏置电路与安稳性的仿真剖析
确认静态作业点，为了使规划电路的作业电压和电流满意规划需求，则需求规划偏置网络。所规划的偏置网络要确保下降偏置对体系参数、阻抗匹配的晦气影响。本规划选用双电源为栅极和漏极供给所需电压，双电源供电既能够下降高频噪声的晦气影响，还能确保愈加便利的调整静态作业点。直流偏置电路的规划选用了特征阻抗很大、可构成开路的高频电感和集总参数组成的旁路%&&&&&%。电路图和仿真成果图3所示。仿真图中纵坐标StabFact的单位是“1”，横坐标freq的单位是“MHz”。图3中的Term1和Term2分别是50Ω的源阻抗和负载阻抗端口，用于仿真剖析。S-PARAMETES是S参数扫描仿真控件，图3下面有扫描规模和步长参数;StabFact是丈量安稳因子的仿真控件。图3中的仿真成果是频率与安稳因子组成的数轴以及m1标志点处的值。
从图3中的仿真成果能够看出，在增加偏置电路后，作业频率下StabFact>1，既确保了功率放大器材在整个作业频率内能够安稳地输出功率。所以偏置电路满意规划要求，能够进行接下来的仿真规划。
2.3 负载牵引Load Pull仿真规划
假如咱们能够使它的输出端口匹配，则依据二端口微波网络理论，依据其输入端的反射系数能够直接导出输入阻抗。而输出端所接负载的共轭值为其输出阻抗。正是根据这一原理[4]，负载牵引规划办法(Load-pull)能够精确地测定最佳负载阻抗，并便利地找到最大输出功率时的最佳负载阻抗，得出最佳的功率输出和功率水平[5]。
翻开仿真软件的负载牵引仿真例程图。将管子更换成咱们现已选定的MRF6V5300N，替换本来默许的器材模型，然后输入功率Pavs改成20dBm，频率RFfreq改成541kHz，漏电压Vhigh改成50V，栅压(偏置电压)改成2.7，其它都坚持不变，如图4所示。
图中P_1Tone是沟通信号频率变换剖析中常用作源的组件，S1P_Eqn常作为负载组件。PARAM SWEEP是参数扫描控件，HARMON%&&&&&% BALANCE是谐波平衡仿真控件，VAR用于参数设置，该仿真参数设置为541kHz的作业频率，24dBm的输入值，50V高端和3.2V低端供电电压。
经过改动栅极电压或许增大外部漏极电压的办法进一步优化进步仿真值。合理的调整参数和电路布局，在部分加人优化方针GOAL控件[6]，终究得到如图5的仿真成果。
图5左边是功率输出和全体功率的仿真图，右侧是仿真参数的设置，包含功率输出和全体功率的步长和显现的仿真曲线条数，下侧是m1、m2标志点处对应的负载阻抗值。
这样不只输出功率现已超出300W的领域，连同整个功率也到达40%以上。彻底满意要求。归纳考虑输出功率和功率，从图中可挑选5.937+J*4.630作为最佳负载阻抗，然后进行阻抗网络的匹配。
3 阻抗网络匹配与全体优化仿真
经过ADS自带的施密特原图东西，依照之前仿真得到的最佳负载阻抗，凭借Smith圆图进行负载阻抗网络的匹配，将匹配网络电路连接到输出端电路中后，进行源负载牵引仿真，办法与上同。终究得到匹配后的输入输出匹配网络全体功率电路图如图6所示。
将匹配完好的电路图进行谐波平衡法仿真剖析，调用东西栏中的仿东西，设置仿真参数，经过恰当的优化得到如下仿真成果[7]。仿真图中纵坐标PAE的单位是“1”，纵坐标Pdel的单位是“dBm”，横坐标Pin的单位是“dBm”。
从仿真成果能够看出输出功率现已挨近300W，一起整个功率放大电路体系的功率尽管略有下降，但也超越35%。归纳考虑输出功率和功率，根本满意规划需求。
4 定论
本章凭借ADS的仿真渠道，经过LDMOS的器材仿真模型，依照确认直流作业点，设置偏置电路和安稳性的评论，负载牵引技能确认并规划阻抗匹配网络的规划流程，建立并完结射频功率放大电路的规划，终究经过谐波平衡的仿真和优化，终究得到满意规划方针要求的射频功率放大器的体系电路。
参阅文献：
[1]李建功,唐雄燕.才智医疗运用技能特色及发展趋势[J].中兴通讯技能,2012,18(2):1-7.
[2]MRFE6VP5300N-datasheet[EB/OL].http://www.nxp.com，Rev.1,6/2014.
[3]曹雄斐,杨维明,张瑞,等.根据ADS的LDMOS功率放大器规划与仿真[J].湖北大学学报(自科版),2014,36(4):317-322.
[4]应子罡,吕昕,高本庆,等.GaAsFET大信号等效电路参数提取[J].固体电子学研讨与发展, 2005, 25 (4):464-468.
[5]高金辉,苏明坤,李迎迎.根据ADS仿真的射频功放规划[J].河南师范大学学报(天然版) 2011,39(6):48-50.
[6]郭潇菲,刘凤莲,王传敏.微波功率放大器晶体管匹配电路规划[J].微波学报,2009,25(5):67—69.
[7]徐兴福.ADS2008射频电路规划与仿真实例[M].第2版.北京:电子工业出版社,2013:190-224.
本文来源于《电子产品世界》2017年第11期第60页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
