編者注:最近和手機(jī)硬件和射頻工程師聯(lián)系的比較多,一些工程師談到Load pull(負(fù)載牽引)的設(shè)計(jì),總覺得存在一些問題。射頻功率放大器的設(shè)計(jì)離不開ADS的仿真,在仿真中往往采用負(fù)載牽引的方法。相信大家一定都遇到過仿真結(jié)果不收斂而導(dǎo)致仿真停止的情況。本文是我在網(wǎng)上看到的一篇關(guān)于ADS負(fù)載牽引設(shè)計(jì)的總結(jié),寫得比較基礎(chǔ),特此轉(zhuǎn)載,希望能夠?qū)Ω嗟娜似鸬綆椭饔谩1疚膩碜孕吕瞬┛偷膬善恼碌膮R總。
加入 ADS 群半年多來,不時(shí)在群里面碰到有人問做負(fù)載牽引時(shí)出現(xiàn)的不收斂問題,雖然自己也自告奮勇的出來聊幾句,奈何自己的文采有限,無法說清楚這個(gè)問題。其實(shí)我自己半年前也曾為此問題困擾一個(gè)星期之久,幸好有群里面的流星和羽纖二位大哥的指點(diǎn),二位大哥對我在ADS 操作和射頻微波功放方面的困惑進(jìn)行了無私的指點(diǎn),加快了我完成了雷達(dá)發(fā)射機(jī)的研制進(jìn)程,對此我深表感謝。
前些時(shí)候,群里面部分同樣如我半年前一樣在負(fù)載牽引上遇到困惑的人邀請我寫一個(gè)實(shí)例,用這個(gè)實(shí)例來說明如何解決負(fù)載牽引中碰到的不收斂問題,由于這幾天我剛接手了另外兩個(gè)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的研制項(xiàng)目,一直沒有抽出足夠的時(shí)間來寫,今天有時(shí)間就做個(gè)注解,寫得不好,不要介意,但愿本文檔對一些剛?cè)腴T的新手在碰到負(fù)載牽引時(shí)出現(xiàn)的不收斂問題能提供一些幫助。
下面我以freescale的新一代功放管MRF6V2300作為例子來說明負(fù)載牽引問題。MRF6V2300 是freescale 推出的新一代功放管,CW 輸出功率為300W,額定漏工作電壓為50V,工作頻率為10-600MHz,價(jià)格僅500 元一只,是米波雷達(dá)和廣播電視發(fā)射機(jī)的廉價(jià)實(shí)用管子。
其DATASHEET 上提供了三個(gè)典型的頻率點(diǎn)的輸入和輸出阻抗:27MHz,220MHz,450MHz。參考靜態(tài)偏置電壓典型值為2.6V時(shí),其靜態(tài)偏置電流典型值是900mA,因?yàn)楸容^容易,這里面我不作靜態(tài)電流的仿真了,直接采用靜態(tài)偏置電壓2.6V(ADS仿真結(jié)果是919mA)。
先仿真頻點(diǎn)f1=27MHz,datasheet 上顯示其輸出負(fù)載Zload=3.50+j*0.19。我們打開ADS,新建一個(gè)空白原理圖,在其工具欄的DesignGuide上點(diǎn)擊下拉菜單中選擇Amplifier 點(diǎn)1-Tone Nonlinear Simulations 展開,選擇Load-Pull-PAE,Output Power Contours 然后點(diǎn)擊OK按鈕就行了,出來如圖1-1 所示的原始原理圖和圖1-2 所示的原始仿真圖:
圖1-1 Load-Pull 原始原理圖
圖1-2 Load-Pull 原始仿真圖
對圖1-1,我們首先更換管子成我們要測試的MRF6V2300N,把兩個(gè)圖標(biāo)都換上,然后輸入功率Pavs 改成20dBm,頻率RF freq 改成27MHz,漏電壓Vhigh改成50,柵壓(偏置電壓)改成2.6,其它都不變,如圖1-3 所示:
從圖 1-4 可以看到,在輸入為20dBm的情況下,其輸出已經(jīng)達(dá)到了53.79dBm了,這離其典型輸出功率300W(54.7dBm)已經(jīng)很接近,但我們從圖1-4 的左下角的坐標(biāo)圖中看到其功率圓和效率圓的圓心都沒有顯示出來,對圖1-4左下角的坐標(biāo)圖局部放大如圖1-5所示:
圖1-5 左下角坐標(biāo)圖局部放大圖
從圖1-5 中,我們可以看出,其功率圓和效率圓的圓心在圖的正左方,我們重新設(shè)定圖1-1 中原始圖的圓心,我們大膽猜測其圓心s11_center 為-0.75+j*0.0,半徑s11_rho 為0.2,并將采樣點(diǎn)數(shù)改為500,如圖1-6 所示:
為什么用右下角的圖?而不是左上角的圖?純屬個(gè)人喜好,我就不喜歡某些高高在上的人,就算圖我也不喜歡高高在上的那兩幅,而喜歡很謙虛的下面兩幅,下面兩幅圖我用著舒坦!相信等我介紹完了下面兩幅圖的妙處之后,你也會喜歡底下哥倆的!好,現(xiàn)在把最大輸出功率框圖移到移動到圖標(biāo)m3附近,這樣看得清楚些,如圖1-9 所示:
圖1-12 輸出阻抗顯示圖
從圖1-12 中可以看出最大輸出功率(54.48dBm)時(shí),輸出阻抗為4.486+j*0.812,效率為62.54%。之所以采用右下角那個(gè)圖,是因?yàn)橛蚁陆悄莻€(gè)圖精度很高(不像左上角那個(gè)圖,精度很差,簡直不可忍受!)好了,現(xiàn)在可以加大輸入功率了,為了測試出300W 時(shí)候的輸出阻抗,必須加大輸入功率!現(xiàn)在增加輸入功率到21 dBm,其它不變?nèi)鐖D1-13 所示:
圖1-14 加大輸入功率后的仿真圖我們再一次對圖1-14 的m3 的光標(biāo)進(jìn)行移動。使其移動到附近最大輸出功率框圖顯示為54.82dBm(303.39W),如圖1-15 所示:
圖1-15 移動到最大輸出功率的功率圓和光標(biāo)現(xiàn)在,再次縮小仿真結(jié)果圖,你只要用鼠標(biāo)的滾輪往下滾就行了,你就可以看到如圖1-16 的300W 輸出所對應(yīng)的阻抗和效率了,其輸出阻抗是Zload=3.932+j*0.795,效率為60.54%。這就是我們我們要的最終結(jié)果!
Loadpull仿真時(shí)經(jīng)常遇到不收斂的情況
1)smith圓圖中仿真阻抗范圍太大,適當(dāng)設(shè)置減小loadpull阻抗范圍可增加收斂。提高HB仿真器的階數(shù),默認(rèn)為5,可以設(shè)更高點(diǎn)也能增加收斂。
根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn),之前在牽引NPTB00004這個(gè)GaN管子的時(shí)候,也經(jīng)常遇到不收斂的情況。一般我是根據(jù)錯(cuò)誤提示,對HB仿真控制里進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置,如下圖,包括收斂模式,最大迭代次數(shù),算法等參數(shù),一般根據(jù)錯(cuò)誤提示設(shè)置后就能收斂了。
2)另外的因素還包括原理圖阻抗?fàn)恳狞c(diǎn)數(shù),柵極的阻抗,一般柵極都是很小的阻抗,如果太小接近smith圓圖邊沿也會比較難收斂,這時(shí)可在條件允許情況適當(dāng)取大一點(diǎn)柵極電阻,讓它往中間移,這樣能提高收斂性,而且在后面匹配的時(shí)候也更好匹配。
3)諧波仿真器中階數(shù)降下來,5階3階都試試!
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原文標(biāo)題:【一線工程師】ADS負(fù)載牽引(Load pull)實(shí)例設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)
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