ADS射频功率放大器之LoadPull

  之前的文章为大家介绍了什么是功率放大器和如何进行直流特性分析以及如何进行稳定性分析。本篇文章继续为大家介绍功率放大器的步骤。

  我们知道，功率放大器不同于小信号放大器，输出与输入总是成线性关系，因为功率放大器的功放管工作趋近于饱和区，其s参数会随着输入功率的变化而变化。一般情况下，我们只需要满足输出与输入的共轭匹配，即可满足最大功率输出的条件。但是，由于输入功率改变带来的s参数改变，简单的共轭匹配不能满足所有的输入功率点。因此，我们需要在所有的输入功率下进行仿真，得出在所有输入功率下，满足最大输出功率的条件。   在不同的负载阻抗下，功率放大器的输出功率和效率都不同，满足最大输出功率条件所对应的负载阻抗就称为最优负载阻抗，用z_opt表示。在实际情况中，不一定最大功率输出就是我们所需要的结果，因为输出最大功率带来的代价就是效率的降低，因此我们经常要对输出功率和放大效率进行一个折中，所以，我们选择的最优负载阻抗往往也不是输出功率最大的阻抗点，而是我们选择的一个功率效率折中阻抗点。   LoadPull（负载牵引）技术就是通过仿真，来得到在一定输入功率下，不同的负载阻抗与输出功率和效率之间的关系。顾名思义，它是通过改变负载阻抗从而计算输出功率和效率，最终得到z_opt的技术。LoadPull的实现需要一个十分复杂且庞大的系统，但是ads为我们集成好了LoadPull模板，我们只需要填写对应的输入功率，连接好电路，设置好偏置等条件之后，直接进行电路仿真，即可得到loadpull结果。本篇文章，我们将为大家介绍ads强大的LoadPull功能的使用方法。

随便打开一个原理图，在DesignGuide中选择Amplifier，根据图中步骤，选择LoadPull模板

  在使用loadpull之前，我们先来介绍一下loadpull模板中各个区域的功能，我们需要在这些区域进行相应的设置，才能进行正确的loadpull仿真。

  首先，图中红框里的电路图就是我们需要进行loadpull仿真的电路图，所使用的功率管是ads模板中自带的功率管，本文将以此为例进行介绍，在使用其他功率管时，我们只需要进行相应替换即可。   接着，我们在下图红框中进行电路工作频率、偏置、输入功率的设置。Pavs是输入功率，RFfreq是工作频率，Vhigh是Vds的值，Vlow是Vgs的值。   最后，下图中红框里的部分是关于扫描圆（圆心、半径）、特征阻抗以及采样点的设置。s11_rho对应的是扫描圆半径，s11_center对应的是圆心，pts对应的是采样点，z0对应的是特性阻抗。我个人对扫描圆的理解就是仿真对应于Smith圆图的区域，因此圆心和半径的设置需要满足：扫描区域不能超过单位圆的内部，比如：圆心设置为0.3+j*0.4时，半径不能超过0.5。关于采样点，不难理解，就是我们仿真的阻抗点的个数，采样点的设置得越多，得到的结果就越精确，但是仿真所耗费的资源就会越大，甚至会出现不收敛的情况，我们通常设置为500即可。

  设置好之后，我们进行仿真，仿真结果如下： 首先，我们观察左上角的图： 可以看到，等效率圆和等功率圆显示不全（红色对应效率圆，蓝色对应功率圆），我们无法判断其是否收敛（效率圆和功率圆为封闭圆就意味着收敛），这时，我们需要通过调整扫描圆心和半径使得效率圆和功率圆显示完整，我们将半径调整为0.9，如图： 仿真结果如下： 可以看到，效率圆和功率圆均显示完整，并且可以看到其结果收敛。同时，我们可以看到效率和功率的最大值以及对应的阻抗点 接着，我们来看右下角的图： 这张图和左上角的图不同的一点是，我们可以在这张圆图中选择所有仿真到的阻抗点。在该图中，红色x表示仿真到的阻抗点，我们修改采样点为500，可以直观地看到仿真的阻抗点变多： 同时，我们可以拖动m3点，选择任何一个仿真阻抗点，并且可以在右边区域实时查看m3点对应的阻抗值、效率和输出功率等信息。   在输出结果图中，我们主要观察左上角和右下角这两幅图。

  我们在仿真过程中，首先需要查看数据手册，根据功率管的指标以及我们的需求确定电路的工作频率、输入功率等信息，然后通过仿真，根据我们的需求直接在loadpull仿真结果图中确定z_opt。   loadpull的目的就是确定最优负载阻抗z_opt，然后设计输出匹配网络，将实际的负载匹配到z_opt，来保证最优的输出状态。除了输出端的loadpull，还有输入端的sourcepull。在ads中，sourcepull的使用方法和loadpull类似，我们不再赘述。在功率放大器的设计中，我们往往先进行loadpull，然后设计输出匹配网络，接着将设计好的输出匹配网络加入电路，再进行sourcepull仿真，随后设计输入匹配网络，再将输入匹配网络加入电路，再进行一次loadpull，如此反复迭代，不断优化输入输出匹配网络，实现电路的最优化。也可以只进行一次loadpull和sourcepull，然后在最终电路中直接进行优化。不论怎样，我们都不能图省事，应该不断地优化完善我们的电路，这样才能设计出性能绝佳的功率放大器！