ADS PA仿真负载牵引心得

admin

加入ADS 群半年多来，不时在群里面碰到有人问做负载牵引时出现的不收敛问题，虽然自己也自告奋勇的出来聊几句，奈何自己的文采有限，无法说清楚这个问题。其实我自己半年前也曾为此问题困扰一个星期之久，幸好有群里面的流星和羽纤二位大哥的指点，二位大哥对我在ADS 操作和射频微波功放方面的困惑进行了无私的指点，加快了我完成了雷达发射机的研制进程，对此我深表感谢。
: o) l; ]8 ~2 r. n' M
7 g  i/ U) C, O- C前些时候，群里面部分同样如我半年前一样在负载牵引上遇到困惑的人邀请我写一个实例，用这个实例来说明如何解决负载牵引中碰到的不收敛问题，由于这几天我刚接手了另外两个雷达发射机的研制项目，一直没有抽出足够的时间来写，今天有时间就做个注解，写得不好，不要介意，但愿本文档对一些刚入门的新手在碰到负载牵引时出现的不收敛问题能提供一些帮助。
8 X+ x- }& q9 b/ |# o  \& |
下面我以freescale的新一代功放管MRF6V2300作为例子来说明负载牵引问题。MRF6V2300 是freescale 推出的新一代功放管，CW 输出功率为300W，额定漏工作电压为50V，工作频率为10-600MHz，价格仅500 元一只，是米波雷达和广播电视发射机的廉价实用管子。其DATASHEET 上提供了三个典型的频率点的输入和输出阻抗：27MHz，220MHz，450MHz。参考静态偏置电压典型值为2.6V时，其静态偏置电流典型值是900mA，因为比较容易，这里面我不作静态电流的仿真了，直接采用静态偏置电压2.6V（ADS
& r( H- M& @# ]4 X3 U仿真结果是919mA）。先仿真频点f1=27MHz，datasheet 上显示其输出负载Zload=3.50+j*0.19。我们打开ADS，新建一个空白原理图，在其工具栏的DesignGuide上点击下拉菜单中选择Amplifier 点1-Tone Nonlinear Simulations 展开， 选择Load-Pull-PAE,Output Power Contours 然后点击OK按钮就行了，出来如图1-1 所示的原始原理图和图1-2 所示的原始仿真图：

# t% w- a8 m( R4 x7 O

图1-2 Load-Pull 原始仿真图

3 ^- D, f3 m/ O; q; N5 k# g- ~对图1-1，我们首先更换管子成我们要测试的MRF6V2300N，把两个图标都换上，然后输入功率Pavs 改成20dBm，频率RF freq 改成27MHz，漏电压Vhigh改成50，栅压（偏置电压）改成2.6，其它都不变，如图1-3 所示：

/ _! N; C% E* d. [& P

图1-4 换成MRF6V2300N后的仿真图
7 u. z8 z' g9 Z5 Z! F: ^
从图1-4 可以看到，在输入为20dBm的情况下，其输出已经达到了53.79dBm了，这离其典型输出功率300W（54.7dBm）已经很接近，但我们从图1-4 的左下角的坐标图中看到其功率圆和效率圆的圆心都没有显示出来，对图1-4左下角的坐标图局部放大如图1-5所示：


) m$ k' J' T& f% e: ^  q7 `( H0 }图1-6 重新设置圆心和采样点数

7 J+ P" [% h; l6 t为何半径要设置成0.2 呢？而不是0.3 或者更大呢？大点不是好吗？半径大点能把所有可能的情况都仿真进去，何乐而不为呢？不行！因为要撑破的！一个原则是你仿真的范围不能超过1！也就是你坐标圆的圆心加半径不能超过1！为保险起见，二者之和最大为0.99！也就是说:
0 w, s1 e" [8 k* R

图1-7 改变半径、圆心和采样点数后的仿真结果
' F4 }: O4 _2 D4 C5 g' j. x/ L
从图1-7 可以看出，效率圆（红色）和功率圆的圆心都出来了，最大输出功率是54.48dBm,最大效率是74.74%，可见输出功率已经接近额定输出功率54.7dBm（300W）了，我们可以继续加大功率，把输出功率加大到300W 了。别急！我们的目的是什么来着？测出最大输出功率对应的输出阻抗和效率！所以我们还得继续从图1-7 中找些有用的信息来！别忙，我们先局部放大图1-7 中的右下角的图如图1-8 所示：
: W9 Q, T+ b. w/ R


图1-9 移动功率框图后到m3光标附近

+ ~3 j7 d$ Q6 Q! b好了，你现在可以放大图1-9 中的功率输出图，放大后如图1-10 所示：


图1-11 最大输出功率局部放大图

这样，你可以很方便的就吧m3 移动到输出功率最大处，只需几秒种！然后你在缩小右下角的图如图1-12 所示，从图1-12你可以知道其对应的输出阻抗。
9 s! w0 C8 F( U: g( j( m# g
- v6 }, Z: w6 V: o  T

) \/ e2 P7 P0 x  j3 @/ g图1-13 加大输入功率后的原理图
! s: p! p) U' Q  V, d
加大输入功率后的仿真结果如图1-14 所示，从图1-14 可以看出，其最大输出功率为54.82dBm（303.39W）。
% M% h, j0 s2 R. L/ H# |, `# F
- V( n; r4 v4 S( u$ g# a

+ {! ]  q5 Z5 E, z) O图1-15 移动到最大输出功率的功率圆和光标

现在，再次缩小仿真结果图，你只要用鼠标的滚轮往下滚就行了，你就可以看到如图1-16 的300W 输出所对应的阻抗和效率了，其输出阻抗是Zload=3.932+j*0.795，效率为60.54%。这就是我们我们要的最终结果！

. m) u" ?3 d& s. J: s( d0 G1 o
3 O7 X7 t, i% X( k) \
1 O0 k! z& e; x6 H$ t' F0 q, Y- g( `% J图1-16 放大右下角最大输出功率对应的输出阻抗

这个结果（ Zload=3.932+j*0.795 ） 和datasheet 上面的典型值
（Zload=3.50+j*0.19）非常接近，之所以不同是因为输入匹配不一样的时候，其输出阻抗是不一样的，这里面仿真所用的输入并没有完全匹配的结果。输入功率和输入阻抗的变化都会影响输出阻抗的！一般来说，我们在典型值附近的匹配用负载牵引测出来的阻抗没有典型值的好，还不如用典型值的，只有那些离典型值比较远的地方我们才去做负载牵引，尤其是做宽带功放的时候，做负载牵引是必须的！
8 m. v- K0 V% ^+ I8 c  w
+ c3 G1 ]# h# F* a# D; e( O3 P& y& d: u更多精彩请加入“中国射频微波微信第一群”， 先加徐老师微信号：15989459034，注明公司，射频领域及方向，通过验证后加入。（注：本群属纯技术研讨群，销售代理等非射频技术人员勿加）！?
) [0 U9 s8 \  C6 @5 ?6 ^, J5 D: L1. 本群3000人，成员涵盖了国内所有射频方向企业，高校，研究所。其中教授，总监，总经理，主任专家，海归，千人计划，长江学者，首席科学家，博士等500+人。
2. 本微信群由“兴森科技-安捷伦射频高速实验室”射频负责人，《ADS2008/2011射频电路设计与仿真实例》《HFSS射频仿真设计实例大全》电子工业出版社，主编徐兴福建立。