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射頻電路設計實錄（RF Design Record，簡稱RDR）是無線時代網(wǎng)站推出的系列射頻技術文章，記錄了一款產(chǎn)品的完整設計過程。本文是其中的第四章，ADS仿真。

4. ADS仿真

從本章開始，將進入本產(chǎn)品設計的核心階段。

4.1 PCB板材的選擇

4.1.1 需要考慮的因素

也許很多讀者還不知道的是，PCB板材的選擇是ADS仿真的第一步。理由如下：

• 不同于小功率射頻電路設計，本產(chǎn)品具有較大的輸出功率，LDMOS需要吸收較大的電流，所以需要使用較寬的饋線為LDMOS饋電，這就要求50歐姆射頻走線具有較寬的線寬；
• LDMOS往往需要使用微帶器件進行匹配設計，這就要求PCB板材的介電常數(shù)十分穩(wěn)定，均勻，這就要求我們選用專用的射頻板材；
• 所選用的板材應該具有合適的機械強度；
• 所選用的射頻板材應該便于生產(chǎn)，PCB制板廠不會因為板材問題而耽誤生產(chǎn)進度。

4.1.2 常用的射頻PCB板材

常用的射頻板材廠商及其型號如表4-1所示。

表4-1 常用的射頻板材廠商及其型號

4.1.3 PCB板材的確定

相信很多讀者對于羅杰斯板材都有所耳聞，本人也是如此，與PCB制板廠聯(lián)系之后，得知RO4003C與RO4350B都是常備型號。其中RO4003C與RO4350B又分別有幾種不同的規(guī)格，如圖4-1。

圖4-1 RO4000系列PCB機械特性

根據(jù)前文的討論，本產(chǎn)品使用2層板足以完成全部設計，因此RO4003C的0.813mm板材是比較合適的，0.8mm的板厚強度還是可以的。值得一提的是，羅杰斯官方網(wǎng)站有一款叫做MWI的免費軟件，里面已經(jīng)內(nèi)置了Rogers公司的全部板材參數(shù)，讀者可自行前往Rogers官方網(wǎng)站下載，也可以在本站下載。

使用MWI計算RO4003C 0.8mm板厚特征阻抗方法如圖4-2所示，可以看到，當特征阻抗控制為50歐姆時，走線寬度為71mil，完全可以滿足LDMOS的饋電要求。

圖4-2 使用MWI計算特征阻抗

4.2 LDMOS末級輸出放大器設計與仿真

這部分的仿真是本章的核心內(nèi)容。

4.2.1 獲取LDMOS仿真模型

如前所述，本產(chǎn)品使用Freescale的MRF8S26060H作為末級輸出器件，讀者可以自行前往Freescale的官方網(wǎng)站獲取仿真模型，獲取仿真模型的鏈接如下，點擊MRF8S26060H_MDL_ADS后面的“Download”按鈕進行下載。

http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MRF8S26060H&fpsp=1&tab=Design_Tools_Tab

需要注意的是，僅下載這個模型還不夠，實際仿真時還需要使用另外的一個Model Kit叫做RF_HIGH_POWER_MODEL_ADS_KIT，讀者可以點擊上述鏈接中RF_HIGH_POWER_MODEL_ADS_KIT后面的“Download”按鈕進行下載。

4.2.2 導入LDMOS仿真模型

在ADS主界面中點擊DesignKit按鈕，如圖4-3。

圖4-3 點擊DesignKit按鈕

在彈出的Install ADS Design Kit對話框中點擊“Unzip Design Kit Now”按鈕，并在新的對話框中點擊Browse按鈕，選擇剛剛下載得到zip后綴的文件，如圖4-4。

圖4-4 選擇Design Kit

選擇完成后回到Install ADS Design Kit對話框，我們可以看到如圖4-5所示的結(jié)果。

圖4-5 已解壓的DesignKit

此時點擊OK，即可將MRF8S26060H的模型添加至ADS的庫中。用同樣的方法處理RF_POWER_ADS2011_DK.zip，最后點擊DesignKit?List Design Kits，即可顯示出已安裝的仿真模型，如圖4-6。

圖4-6 List ADS Design Kits

4.2.3 創(chuàng)建仿真工程

在ADS主界面中點擊“Create A New Project”圖標，開始創(chuàng)建仿真工程，如圖4-7。

圖4-7 創(chuàng)建仿真工程

在彈出的對話框中點擊Browse找到希望保存的目錄，在本設計中，選擇了D:’ProjectsAMP_10WADS目錄。在Name欄中文件夾路徑后輸入MRF8S26060_Sim_prj，ADS就完成了名為MRF8S26060_Sim_prj的仿真工程，如圖4-8。此時，ADS會自動彈出一個原理圖繪制窗口。

圖4-8 輸入項目名稱

4.2.4 LDMOS直流仿真

將4.2.3中彈出的原理圖另存為DC-Sim.dsn，在器件庫中選擇Freescale MRF8S26060H Level2 Rev1 Model，如圖4-9所示。

圖4-9 選擇Freescale元器件庫

這時依此點擊出現(xiàn)的兩個圖標，便可以將MRF8S26060H的仿真模型及所涉及到的庫文件放置在原理圖中，如圖4-10。

圖4-10 在原理圖中添加MRF8S26060H

分別選擇Simulation-DC與Probe_Components控制板，添加電流表，PARAMETER SWEEP，DC，DisplayTemplate等控件，并按照如圖4-11的方式連接完成，就得到了直流仿真的原理圖。

圖4-11 直流仿真原理圖

這時可點擊Simulate圖標，可以得到如圖4-12所示的直流仿真結(jié)果。可以看到m1處Vds=28V，Vgs=2.7V，Ids=0.422A，這與MRF8S26060H Datasheet中所描述的基本一致。

圖4-12 直流仿真結(jié)果

4.2.5 LDMOS負載牽引仿真

負載牽引仿真是極其重要的環(huán)節(jié)。此處會花費較多篇幅進行講解，在本站的一篇文章中總結(jié)了ADS負載牽引仿真中經(jīng)常遇到的問題及解決辦法，具體可查看https://www.witimes.com/loadpull-design-key-points-ads/。

所謂負載牽引仿真，就是在放大器后面連接一個可變負載，當負載在一定范圍內(nèi)變化時，測量不同負載對應的不同的輸出功率及PAE，負載牽引仿真的目的就是找到獲得預期輸出功率及PAE時對應的負載值。

4.2.5.1 使用Loadpull仿真模板

在MRF8S26060_Sim_pr新建一頁原理圖，點擊DesignGuide?Loadpull，如圖4-13所示。

圖4-13 點擊DesignGuide Loadpull

在彈出的對話框中選擇One Tone Loadpull Simulation，即“單音負載牽引仿真”如圖4-14所示。

圖4-14 選擇One Tone Loadpull Simulation

點擊OK，原理圖中會出現(xiàn)ADS中已經(jīng)設置好的仿真模板，如圖4-15所示。

圖4-15 加載負載牽引仿真模板

4,2,5,2 Loadpull仿真過程

將4.2.5.1原理圖中的默認FET換成MRF8S26060H，并將FSL_MRF8S26060H_TECH_INCLUDE添加至原理圖；將VAR控件中的RFfreq設置為2437MHz，Vhigh即Vds設置為28V，Vlow設置為2.7V，如圖4-16所示。

圖4-16 設置仿真條件

這時點擊Simulate按鈕，ADS便開始仿真過程，稍等片刻，便可以得到如圖4-17所示的仿真結(jié)果（仿真結(jié)果的模板也是預先設置好的）。可以看到，最大的PAE（附加功率效率）僅為1.09%，最大功率也僅為21.54dBm，增益僅為11.54dB，與理想值差距比較大。

圖4-17 第一次負載牽引仿真結(jié)果

將Pavs更改為30dBm，再次仿真，得到如圖4-18所示的仿真結(jié)果。可以看到，此時最大PAE已經(jīng)大幅提升至27.26%，最大功率提升為42.21dBm，增益沒有發(fā)生太大變化。其實這個結(jié)果是很容易理解的，當輸入至LDMOS的功率較小時，LDMOS自身的靜態(tài)功耗比例較大，所以PAE極低；隨著輸入功率的提升，LDMOS消耗的功率極其輸出功率都在上升，但輸出功率上升的更快，LDMOS自身的靜態(tài)功耗比例減少，所以PAE大幅提升。

圖4-17 第二次負載仿真結(jié)果

雖然在第二次仿真后，PAE已大幅提升，但增益仍達不到要求，這就需要設置SweepEquations中的參數(shù)，即調(diào)整S11的原點及半徑，調(diào)整仿真的范圍。

值得注意的是，調(diào)整仿真范圍非常容易出現(xiàn)仿真結(jié)果不收斂的情況，這個時候讀者就需要按照https://www.witimes.com/loadpull-design-key-points-ads/文中提到的方法。由于文章篇幅的關系，我無法在本文中給出全部的實驗過程，只能給出最終的仿真結(jié)果。在最終的仿真參數(shù)設定中，SweepEquations中的s11_rho設置為0.2，S11_center=-0.75+j*0，pts=500，同時將pavs設置為33dBm，如圖4-18所示。

圖4-18 最終的仿真參數(shù)設定

再次仿真，得到如圖4-19所示的結(jié)果。可以看到，在m3點處，可以獲得45.04dBm的輸出功率并且對應的PAE為41.46%，很不錯。

圖4-19 第三次負載牽引仿真結(jié)果

這時，可以看到當前的負載為13.16-j4.014，輸入阻抗為2.31+j12.98。

4.2.6 LDMOS匹配電路設計與仿真

有了4.2.5中結(jié)論，我們就需要為LDMOS構造出13.16-j4.014的負載，當然也可以得知這時LDMOS的輸出阻抗為13.16+j4.014。

不過，就在這時，本產(chǎn)品的設計工作發(fā)生了戲劇性的轉(zhuǎn)變——Freescale發(fā)來了MRF8S26060H的參考設計，由于產(chǎn)品開發(fā)時間的限制，能用上Freescale的參考設計無疑是件很好的事情。雖然Freescale發(fā)來的參考設計是DXF格式，但是也為設計工作提供了巨大的幫助，參考設計如圖4-20所示。

圖4-20 MRF8S26060參考設計

從結(jié)構上看，這是一款Doherty結(jié)構的功放，但是每顆LDMOS又可以分別測試，也許這是為了方便客戶評估，但這些不是本設計關心的重點，在本文中僅關心LDMOS的匹配電路。顯而易見的是，LDMOS的偏置電路及Vds均是采用四分之一波長走線的方式，并通過微帶線方式完成匹配。

為了最大限度地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，我們測量出MRF8S26060H相關的微帶線尺寸，并在ADS中創(chuàng)建新的負載牽引原理圖，如圖4-21所示。此處配圖可能不夠清晰，但后續(xù)無線時代會推出PDF高清版，將會配備矢量圖，讀者可以看清全部細節(jié)。

圖4-21 新的負載牽引原理圖

這里有以下兩點需要注意：

Freescale參考設計用于2500-2700MHz，需要改變四分之一波長線的長度；

需要將所用PCB板材即Rogers RO4003C各項參數(shù)準確填寫于MSub模型中，如圖4-22。

圖4-22 將RO4003C各項參數(shù)填寫于MSub模型

按照圖4-21中的原理圖，重新進行負載牽引仿真，可以得到如圖4-23所示的仿真結(jié)果，可以看到m3處在50歐姆附近，可以獲得46.23dBm的輸出功率及55.3%的PAE，完全可以達到預期指標。

圖4-23 新的負載牽引仿真結(jié)果

根據(jù)習慣，我們再進行一次S參數(shù)仿真，按照圖4-24繪制新的仿真原理圖，仿真后，可以得到如圖4-25所示的仿真結(jié)果。可以看到，在2.4GHz WiFi設備的頻率范圍內(nèi)，這樣的匹配已經(jīng)達到了很高的指標，S11全部在-10dB以下，增益也高達20dB左右，完全可以滿足本產(chǎn)品要求。

圖4-24 S參數(shù)仿真原理圖

圖4-25 S參數(shù)仿真結(jié)果

需要指出的是，S11的曲線過于尖銳，這可能是未來較大的風險所在，一旦PCB制作有偏差，那么最終的指標可能會差得比較多，不過作為第一版，還是值得做些嘗試。

4.2.7 制作LDMOS模塊

4.2.6中的仿真結(jié)果已經(jīng)完全滿足要求，這時我們需要將4.2.6中的原理圖封裝成一個模塊，以便后續(xù)的聯(lián)合仿真。去除圖4-24中的S-PARAMETERS控件，并將Term1，Term2更換為Port1，Port2，如圖4-26所示。

圖4-26 制作MRF8S26060H模塊

為了保證LDMOS模塊的準確性，我們使用ADS生成一下PCB，可以看到如圖4-27的效果，可以看到，與MRF8S26060的參考設計非常一致，只是四分之一波長走線未做轉(zhuǎn)彎處理。

圖4-27 LDMOS PCB圖

至此，我們已經(jīng)完成LDMOS的全部仿真工作，在后續(xù)的聯(lián)合仿真中，直接調(diào)用本節(jié)中只做的模塊即可。

4.3 功分器設計與仿真

在4.2節(jié)中，我們已經(jīng)得知單顆LDMOS可以達到46.23dBm的射頻輸出功率，這距離我們的目標值50dBm還有些差距，因此考慮使用兩顆LDMOS做功率合成，這就需要設計一個合適的功分器。

在MRF8S26060_Sim_prj工程下新建一份原理圖，點擊DesignGuide?Passive Circuit，如圖4-28所示。

圖4-28 使用DesignGuide中的Passive Circuit功能

在彈出的對話框中點擊Component Palette – Microstrip圖標，如圖4-29所示。

圖4-29 點擊Component Palette – Microstrip圖標

在更新的原理圖設計窗口中點擊Place Microstrip Wilkinson Divider按鈕，將Wilkinson功分器符號添加至原理圖中，如圖4-30所示。添加完成后的原理圖如圖4-31所示。

圖4-30 在原理圖中添加Wilkinson功分器

圖4-31 添加完成的Wilkinson功分器

這時雙擊Wilkinson功分器符號，更改其目標參數(shù)，如圖4-32所示。

圖4-32 更改Wilkinson功分器參數(shù)

這時我們還需要為原理圖添加MSub模型，采用與4.2.6中所提到的模型一致即可。相信此時讀者能體會到我把PCB板材的選擇作為仿真最開始的內(nèi)容進行講述，因為所有的仿真都離不開PCB參數(shù)。添加MSub模型后的原理圖如圖4-33所示。

圖4-33 添加MSub模型

這時回到Passive Circuit DesignGuide對話框中，點擊Design Assistant標簽，ADS就會自動為我們設計完成一款合格的功分器，在DA_WDCoupler1_untitled4上面點擊Push Into Hierarchy之后，我們可以看到功分器的細節(jié)，如圖4-34所示。

圖4-34 功分器內(nèi)部細節(jié)

而易見的是，這樣的功分器尺寸太大，不方便在這個產(chǎn)品上使用。我們重新調(diào)整DA_WDCoupler1_untitled4的參數(shù)，如圖4-35所示。

圖4-35 調(diào)整Wilkinson功分器參數(shù)

再次點擊Passive Circuit DesignGuide對話框中的Design Assistant標簽，并在設計完成的功分器上點擊Push Into Hierarchy之后，我們可以看到新的功分器內(nèi)部結(jié)構，如圖4-36所示。

圖4-36 新的功分器內(nèi)部結(jié)構

接下來對這個功分器進行S參數(shù)仿真，原理圖如4-37所示。

圖4-37 對功分器進行S參數(shù)仿真

仿真后的結(jié)果如圖4-38所示，顯然，這個功分器完全可以達到我們的要求。

圖4-38 功分器仿真結(jié)果

最后，將這個功分器生成PCB Layout，我們可以看到如圖4-39所示的結(jié)果。

圖4-39 功分器生成PCB Layout

也許這個時候讀者會有疑問，PCB設計使用的軟件是Cadence Allegro，如何將這個功分器輸入至Allegro呢？讀者不必著急，在無線時代后續(xù)的章節(jié)中，后面會講解到。

4.4 定向耦合器設計與仿真

經(jīng)過4.3的詳細講解，我相信讀者有能力自行完成定向耦合器的設計與仿真，兩者的過程十分類似，因此不再贅述，這里只給出最終的仿真和設計結(jié)果。

圖4-40 定向耦合器設計結(jié)果

圖4-41 定向耦合器仿真結(jié)果

圖4-42 定向耦合器PCB Layout

4.5 帶通濾波器設計與仿真

與定向耦合器類似，本節(jié)只給出帶通濾波器的仿真與設計結(jié)果。

圖4-43 帶通濾波器內(nèi)部結(jié)構

圖4-44 帶通濾波器仿真結(jié)果

圖4-45 帶通濾波器PCB Layout