关于逆F类的仿真

Posted 2021-11-22 硬件老钢丝

我们原来有讲述过F类PA的仿真过程，这里我们再去介绍一个关于逆F类功放的设计过程。（与我们之前介绍的F类功放在牵引上和输入匹配的设计上有所区别）

可以参考论文：高效率GaN HEMT F类逆F类功率放大器研究和设计

01 DC_IV

首先要对管子的模型进行直流静态工作点分析，管子采用CGH40010F，工作频点为2140MHz。


选取栅压为-2.8V，漏级电压为28V。

02 偏置设计

通常情况下，我们可以按照下面如图所示的方式进行偏置设计，一般用（a）或者（d）具体理由我们看论文中的讲解。

这里的设计我们采用设计频段的四分之一波长线和扇形微带线进行组合，起到遏制交流的作用。其原理图和结果如下图所示：


我们认为S21小于-30dB就算是扼流成功。

03 稳定性设计

搭建我们的稳定性电路，这里的稳定性设计和一般仿真书上的方式是一致的，我们这里仅对一些细节进行讲解。

在整个稳定性设计中，起主要作用的是并联RC电路，在低频时，电容成大阻抗，所以信号主要从电阻通过，我们可以通过调节电阻来达到降低增益提高低频稳定性的作用。（可以从稳定性系数K的公式中验证这个结论） 在高频时，信号主要由电容通路走过，可以通过调节电容的方式来改善我们的稳定性系数 。（仿真时，这个电容尽量用实际电容来替换，可以用村田系列电容）

这里我们进行强调，我们做稳定性的频率范围不能只看我们所设计的工作频段，而是应该考虑整个管子的工作范围，例如CGH40010F管子，其工作频率范围为DC-6GHz，所以我们要设计整个频段的稳定性，这样才能保证在测试时不会因为管子不稳定而造成自激损坏管子。

大多数时候，我们会碰到管子低频不稳定的情况，单纯的通过并联RC电路是解决不了这个问题的，所以我们会在栅极并联一个电阻，这个电阻可以直接提高低频稳定性，也可以保护电路。电阻值通过调谐决定。

除此之外，我们还要添加一个最大增益控件去看一下在我们所设计目标处的最大增益，来保证我们不能一味的去提高稳定性而牺牲我们的增益，具体的要根据我们的指标去决定。

04 逆F类谐波匹配网络设计

我们需要先建立一个谐波抑制网络，满足逆F类的条件。二次谐波开路，三次谐波短路。

根据我们自己的板材搭建我们自己的实际谐波抑制电路

结果如图

05 负载牵引和源牵引

这里我们进行负载牵引和源牵引时，并没有添加并联RC电路，这样做的目的是为了增加我们的输出功率和效率，当然，在这种情况下，输入功率也会相应的减少，因为没有了RC并联电路，增益也会相应的提高的。
值得注意的是，在这种情况下，我们的输入匹配一般都是通过优化来进行的
以下是负载牵引和源牵引的原理图和结果图

06 输入匹配和输出匹配

这里我们主要强调一下我们的输入匹配是通过优化的方式来做的，具体如图：

图中的1是RC并联电路，可以将它放在我们输入匹配的任何地方，然后加第2部分的两个控件，如果你发现匹配的不好，那么就换位置，对于这种做法，我比较推荐用阶梯阻抗变换线的方式来做，通常这种方式是用来做宽带的，当然，这种方式也比较好优化，只要设置好取值范围，采用梯度算法去优化就行。

优化结果输入匹配结果如下

输出匹配如下（笔记比较懒，都用优化的方式来做了）

07 小信号分析

在设计完基本的匹配、偏置、稳定性之后，我们需要将整个电路进行整合，整合后观察我们的S11、S21、stabfact是否满足我们的指标，如果指标基本满足我们的需求，我们可以直接进行大信号仿真。
如果碰到S11发生频偏的现象，我们可以分为两种情况进行考虑，在S11频偏的情况下，我们可以先去看一下我们的大信号结果是否好，如果大信号结果不好，我们需要调整的就不仅仅是S11，如果结果好，我们可以直接调整S11的频偏现象，然后重新带入大信号仿真去看结果。
而具体调整S11的方式主要从输入匹配入手。先只改变输入匹配，如果输入匹配带的影响是消极的，就要考虑输出匹配的影响了。
小信号手动优化结果如下

08 大信号（HB）分析

对于窄带信号我们可以只带用ADS自带的仿真模板

在代入模板后，我们直接去观察我们的输出功率和效率。

通过参考多种论文和实际仿真，我们发现，我们在做大信号仿真时，可以不去考虑增益压缩的问题，增益压缩涉及到线性度的问题，我们想要解决线性度的问题可以通过后期的数字预失真的方式去调整。 我们在这里只关注是否我们的输出功率可达到40dbm，效率是否可以尽可能的大。
如图使我们的大信号结果图，我们发现PAE效率可以达到77.51%左右，输出功率也满足，虽然增益出现了严重的压缩，我们也可以接受，如果想做到更好，我们可以将增益压缩控制在3dB以内，因为在工程上我们希望压缩可以在3db以内（这里的结果是版图仿真的结果），我们这里的结果是验证逆F类仿真的试验，读者可以自己进行设计，达到更好地效果。

09 电压电流波形图验证

由于我们通常考虑逆F类这些谐波类功放的出发点是电流层，而CGH40010F这个管子也给了相应的寄生参数，所以我们这里设计了去封装电路，
我们将这个电路放在晶体管漏级和我们的谐波抑制网络间，注意电流表方向。

注意看电压电流曲线也是在HB仿真下进行的。
电压电流波形如下图
这里展示的是不同输入功率下的电压电流波形图。基本满足逆F类的波形图，即电压电流重叠面积小，代表着直流功耗小。

强调一点，如果我们采用的晶体管并不是像CREE系列的晶体管，我们也可以看电压电流波形，我们只需添加一个电流表就可以了，可能结果图稍微有点畸形，但是只要有大致的图像就可以。