基于BLP8G27的功率放大器的仿真与设计*

李世文 ，李立聪

（1.河源职业技术学院，广东 河源 517000；2.深圳佳姆斯科技有限公司，广东 深圳 518110）

0 引 言

功率芯片BLP8G27-10是由Ampleon公司生产的一款芯片，它可以应用在2G、3G、4G等网络设备中，在具体设计中其输出的功率和效率对系统性能指标影响很大。由于功率放大器与小信号放大模型不同，功率放大可以工作在非线性区，这样对设计人员的设计经验和技巧有一定的要求，同时功率放大器不能简单地只做S参数的分析。所以在功率放大器的设计方面确定阻抗的时候，有两种办法，一种是根据供电直流电压和输出功率来计算出最佳负载[1]，最后根据最佳负载来进行匹配设计和输出功率的确定，另外一种办法就是采用负载牵引的办法来获取功率放大的输出阻抗。

前一种办法获得的负载不包含阻抗的虚部，所以获得的功率误差比较大，但是还有部分设计人员采用这种办法。第二种方法获取的负载较为精确，所以现阶段在功率设计中大部分都是采用负载牵引的办法，但是这种设计需要芯片公司提供相关的模型，如果没有模型自己搭建一套功率牵引系统价格就较为昂贵。本文采用的芯片BLP8G27-10的仿真模型可以直接从公司主页下载，然后利用高级设计系统（Advanced Design System，ADS）仿真软件对BLP8G27-10的功率放大电路进行了仿真与设计，最后对相关电路进行了测试。

1 设计原理及指标分析

功率放大电路的原理如图1所示，电路包括电源、输入匹配电路、功率放大电路、输出匹配电路和负载[2]。

图1 功率放大器原理图

在直放站中负载通常为天线，其输入阻抗一般为50Ω，输入匹配前电路为前级的输出，一般已经匹配到50Ω，功率放大电路的输入和输出阻抗一般需要进行与50Ω匹配，这里功率放大电路的输入和输出阻抗采用源牵引和负载牵引的方法得到。匹配电路左边从源端看向负载端的输入阻抗Zin，从负载端看向源端的输入阻抗为Z´in。匹配电路右边从源端看向负载端的阻抗输出阻抗Zout，从负载端看向源端的阻抗Z´out。其Zin和Z´in需要互为共轭Zout和Z´out也需要互为共轭，这样就可以获得最大功率传输。但是在设计之前是没有匹配网络的，这样就需要增加匹配电路，这里通过匹配电路Zout变换Z´in的共轭Zin。具体在匹配的时候可以采用ADS的Smith圆图进行匹配。

在功率放大电路中，我们设计的目的是为了获得较大的输出功率和效率，但是在通信网络中的输出功率和效率都无法同时满足，所以我们一般是按照最大功率输出进行设计，效率一般不是很高，一般甲类功放效率都在30%～40%。所以本设计的目标是系统稳定、效率在45%左右，增益在30 dB左右。为达到目标采用BLP8G27-10功率管，数据表明该功率管最大可以输出10 W的LDMOS功率管，使用频率在700～2 700 MHz范围内。

2 具体电路设计与仿真

2.1 直流分析和电路稳定性分析

功率管要正常工作，需要一个合理的偏置电压，所以需要知道管子的直流特性，这样就需要对功率管进行直流扫描，图2为直流分析的原理图，图3为直流扫描结果，为了保证管子正常工作VDS=28V，VGS=3V。

图2 直流扫描结果

图3 稳定性处理后的仿真结果

设置好电路的偏置之后就需要对首先确定其稳定性[3]，我们在ADS中对其进行稳定性分析的时候发现稳定性系数小于，这样管子就有可能处于不稳定状态，需要对管子进行稳定性设计，在稳定性设计中我们采用在电路中串联一个5 Ω的小电阻，进行稳定性设计好后，我们对其再进行稳定性分析，由图3发现在频率2 GHz附件稳定性系数1.019，系数大于1，系统已经处理稳定状态。

2.2 负载牵引与源牵引及其阻抗匹配仿真设计

负载牵引[4]是指在大信号时，负载阻抗随输入信号功率的变化而变化。根据每个输入功率的值，在Smith圆图上画出不同负载的等功率曲线，最后根据等功率曲线找到最大输出功率值。首先利用ADS中的范例Load-Pull工程进行修改进行负载牵引仿真，具体如图4所示，功率管改为BLP8G27-10，并让其处于稳定状态。

图4 负载牵引图

对图4进行仿真，仿真结果如图5和6所示，从仿真结果可以看出，该功率放大管的最大输出功率时所对应的效率为20.63%，输出功率为38.27 dBm。图5中粗线条为功率附加效率（Power Added Efficiency，PAE），PAE的等效率圆，细线条为等功率圆，通过该图我们可以找到等效率圆和等功率圆的圆心，圆心对应的就是输出的最大效率和最大功率输出。两个圆的圆心不一定重合，可以根据具体情况选择最大功率输出，或者最大效率输出[5]。具体在寻找圆心时，可以修改半径和圆心坐标，修改时需要满足圆心坐标和半径的平方和小于1，如果不满足就有可能不收敛，所以在找圆心时，根据输出的等功率和等效率圆的情况，多次修改半径和圆心坐标就能找到圆心。如果实在找不到圆心就需要考虑电路是否处于不稳定状态。

图5 等功率和等效率圆图

找到合适的圆心和半径后，根据功率放大管的最大输出功率和效率确定功率放大管的输出负载，具体如图6所示，由图6可知，最大输出功率为38.27 dBm和效率为20.63%所对应的的位置为M3点，此时该点的输出阻抗为1.649+j2.399，输入阻抗为5.62+j1.39，输入反射系数为0.8/177。通过负载牵引的目的主要是找到输出所对应的负载。找到负载之后就可进行匹配设计，匹配原理如上述所示，具体匹配利用ADS中的Smith工具，利用该工具把负载的共轭1.649-j2.399，匹配到50 Ω，我们设定电路的Q值为1.5。匹配的时候需要注意所需元件越少越好，直到满足要求，具体匹配如图7所示，匹配过程从负载开始进行匹配，从图8中可以看出该匹配电路之后S21和S22都可以满足要求，匹配完成之后可以直接生成电路图，该电路如图9所示。

图6 最大输出功率和效率圆心坐标

图7 Smith阻抗匹配过程

图8 匹配之后的S参数

图9 输出匹配电路图

在负载牵引和匹配之后，接下来可以进行源牵引，源牵引可以在把输出匹配电路接入输出端，也可以不接入，源牵引的主要目的是找到最大输出功率的圆心。我们对源牵引电路进行仿真，最终找到阻抗为6.979-j*2.63时其所对应的功率最大。找到该阻抗之后就对其取共轭6.979+j*2.63，把其共轭值与50 Ω进行匹配设计，具体匹配过程如图10所示，从图11中可以看出该匹配电路之后S21和S22都可以满足要求，匹配之后生成的电路如图12所示。

图10 输入阻抗匹配图

前后都加入匹配并优化之后[6]的电路如图13所示，因为自动生成的匹配电路是理想的传输线，所以需要把这种传输线转化为微带线。

图11 阻抗匹配后的S参数

图12 匹配后生成的电路图

我们利用ADS的Line Calc计算工具，计算出微带线的长度和宽度。

3 优化后的电路及结果分析

对图13进行仿真分析的，由图14可知其1 dB压缩点在39 dBm左右。图15为输出功率与效率所对应的曲线，由图15可知输出功率为39 dBm时输出的效率大概在40%左右。

图13 优化后的电路图

图14 功率增益图

图15 效率与功率增益关系图

图16 小信号S参数分析图

图16是进行小信S参数分析的仿真结果S参数主要包S11，S12，S21，S22，S11为输入段的反射系数，即回波损耗。S21为网络的前向输出增益，S22为输出端反射系数，S12指从输出端到输入端的反向增益，图16横坐标为扫描频率，纵坐标为幅度，S21的增益随频率增加有下降趋势，该值越大越好。输出端到输入端的反向增S12随频率的增加最为明显。该电路在2 GHz时增益大概为17 dB，S12反射系数小于-30 dBm。

电路设计好后，我们最后对电路的稳定性分析，电路绝对稳定需要系数大于1，电路稳定处于稳定状态。

4 功率放大器实物及测试

在仿真之后，根据仿真情况我们把BLP8G27-10应用到微型直放站中，并制作出了印制电路板（Printed Circuit Board，PCB），PCB设计是系统工作正常的关键，在微波电路中PCB双面板就可以构成微带线，所以在设计的时候按照微带线的相关理论进行，需要考虑顶层线和线之间，底层和顶层线和线之间的分布参数。本设计的PCB电路板为2层电路板。在电路板制作出来后对该功放电路进行了增益测试和效率测试。

由于该芯片里面集成有2个放大管，所以在实际测试的时候增益大概为28 dB的线性增益，整体效率和仿真差不多，增益和仿真相比有所减少。

5 结 语

本文对基于BLP8G27-10的功率放大电路进行了仿真设计，首先分析其直流特性并设定静态偏置，其后采用负载牵引和源牵引的方法找到最大输出功率所对应的负载阻抗和输入阻抗，根据所得到的阻抗进行匹配设计，最后把匹配之后的电路接入到功率管中进行仿真验证，并进行了实物制作，测得增益为28 dB，效率为40%，从实际的测试结果看满足相关指标要求。可以应用在直放站系统中。