射频电路设计实录第四章,ADS仿真

射频电路设计实录(RF Design Record,简称RDR)是无线时代网站推出的系列射频技术文章,记录了一款产品的完整设计过程。本文是其中的第四章,ADS仿真。

4. ADS仿真

从本章开始,将进入本产品设计的核心阶段。

4.1 PCB板材的选择

4.1.1 需要考虑的因素

也许很多读者还不知道的是,PCB板材的选择是ADS仿真的第一步。理由如下:

  • 不同于小功率射频电路设计,本产品具有较大的输出功率,LDMOS需要吸收较大的电流,所以需要使用较宽的馈线为LDMOS馈电,这就要求50欧姆射频走线具有较宽的线宽;
  • LDMOS往往需要使用微带器件进行匹配设计,这就要求PCB板材的介电常数十分稳定,均匀,这就要求我们选用专用的射频板材;
  • 所选用的板材应该具有合适的机械强度;
  • 所选用的射频板材应该便于生产,PCB制板厂不会因为板材问题而耽误生产进度。

4.1.2 常用的射频PCB板材

常用的射频板材厂商及其型号如表4-1所示。

表4-1 常用的射频板材厂商及其型号

Taconic
型号 频率 介电常数 损耗因子 型号 频率 介电常数 损耗因子
HT1.5 10GHz 2.35±0.05 0.0025 射频-35 1.9GHz 3.5±0.1 0.0025
TLE-95 10GHz 2.95±0.05 0.0028 射频-30 1.9GHz 3.0±0.1 0.0014
TLX-9 10GHz 2.50±0.04 0.0019 TLY-5 10GHz 2.20±0.02 0.0009
TP-32 10GHz 3.20±0.1 0.0022 TSM-30 10GHz 3.0±0.05 0.0015
TLT-9 1MHZ 2.50±0.05 0.0006 TLC-32 10GHz 3.20±0.05 0.03
Rogers
型号 频率 介电常数 损耗因子 型号 频率 介电常数 损耗因子
R04350 10GHz 3.48±0.05 0.004 R04003 10GHz 3.38±0.05 0.0027
R04403 10GHz 3.17±0.05 0.005 R03003 10GHz 3.00±0.04 0.0013
R03203 10GHz 3.02±0.04 0.0016 RT5880 10GHz 2.20±0.02 0.0009
RT5870 10GHz 2.33±0.02 0.0012 ULT2000 10GHz 2.60±0.04 0.0022
RT6002 10GHz 2.94±0.04 0.0012 TMM3 10GHz 3.27±0.032 0.002
R04233 10GHz 3.33±0.05 0.0026 FLEX3000 10GHz 2.9±0.04 0.002
Arlon
型号 频率 介电常数 损耗因子 型号 频率 介电常数 损耗因子
DiC1ad527 10GHz 2.60 ± 0.04 0.0022 DiC1ad870 10GHz 2.33±0.02 0.0013
DiC1ad880 10GHz 2.20 ± 0.02 0.0009 IsoC1ad 933 10GHz 2.33±0.04 0.0016
IsoC1ad917 10GHz 2.20±0.04 0.0013 AD 250 10GHz 2.5 0.0018
AD 270 10GHz 2.7 0.003 AD 300 10GHz 3 0.003
AD 320 10GHz 3.2 0.003 AD 350 10GHz 3.5 0.0018
25N 10GHz 3.38±0.06 0.0025 25FR 10GHz 3.58±0.06 0.0035
Getek
型号 频率 介电常数 损耗因子 型号 频率 介电常数 损耗因子
RF300B1080 10GHz 3.8 0.0074 RF300B2313 10GHz 3.9 0.0074
RF300B7628 10GHz 4.1 0.0074 DS300B7628 10GHz 4.2 0.0074
ML200H1080 10GHz 3.3 0.009 ML200K1080 10GHz 3.4 0.01
ML200K2116 10GHz 3.5 0.01 RG200K1080 10GHz 3 0.003
AD 320 10GHz 3.2 0.003 AD 350 10GHz 3.8 0.009
RF300H1080 10GHz 3.3 0.006 DS300H2116 10GHz 3.4 0.006
Parknelco
型号 频率 介电常数 损耗因子 型号 频率 介电常数 损耗因子
N4000-12 10GHz 3.6 0.008 N4000-12SI 10GHz 3.2 0.006
N5000 10GHz 3.6 0.014 N7000-1 10GHz 3.8 0.016
N7000-2HT 10GHz 3.5 0.015 N8000 10GHz 3.5 0.011
NY9000 10GHz 2.33 0.0011 NX9000 10GHz 3.2 0.0024
NH9000 10GHz 3.5 0.003 N9000 10GHz 3.5 0.0055

4.1.3 PCB板材的确定

相信很多读者对于罗杰斯板材都有所耳闻,本人也是如此,与PCB制板厂联系之后,得知RO4003C与RO4350B都是常备型号。其中RO4003C与RO4350B又分别有几种不同的规格,如图4-1。

RO4000-Spec 图4-1 RO4000系列PCB机械特性

根据前文的讨论,本产品使用2层板足以完成全部设计,因此RO4003C的0.813mm板材是比较合适的,0.8mm的板厚强度还是可以的。值得一提的是,罗杰斯官方网站有一款叫做MWI的免费软件,里面已经内置了Rogers公司的全部板材参数,读者可自行前往Rogers官方网站下载,也可以在本站下载。

使用MWI计算RO4003C 0.8mm板厚特征阻抗方法如图4-2所示,可以看到,当特征阻抗控制为50欧姆时,走线宽度为71mil,完全可以满足LDMOS的馈电要求。

MWI-Calculate

图4-2 使用MWI计算特征阻抗

4.2 LDMOS末级输出放大器设计与仿真

这部分的仿真是本章的核心内容。

4.2.1 获取LDMOS仿真模型

如前所述,本产品使用Freescale的MRF8S26060H作为末级输出器件,读者可以自行前往Freescale的官方网站获取仿真模型,获取仿真模型的链接如下,点击MRF8S26060H_MDL_ADS后面的“Download”按钮进行下载。

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

需要注意的是,仅下载这个模型还不够,实际仿真时还需要使用另外的一个Model Kit叫做RF_HIGH_POWER_MODEL_ADS_KIT,读者可以点击上述链接中RF_HIGH_POWER_MODEL_ADS_KIT后面的“Download”按钮进行下载。

4.2.2 导入LDMOS仿真模型

在ADS主界面中点击DesignKit按钮,如图4-3。

ADS-DesignKit

图4-3 点击DesignKit按钮

在弹出的Install ADS Design Kit对话框中点击“Unzip Design Kit Now”按钮,并在新的对话框中点击Browse按钮,选择刚刚下载得到zip后缀的文件,如图4-4。

Unzip-From-File-Browse

图4-4 选择Design Kit

选择完成后回到Install ADS Design Kit对话框,我们可以看到如图4-5所示的结果。

Design-Kit-Unzipped

图4-5 已解压的DesignKit

此时点击OK,即可将MRF8S26060H的模型添加至ADS的库中。用同样的方法处理RF_POWER_ADS2011_DK.zip,最后点击DesignKitList Design Kits,即可显示出已安装的仿真模型,如图4-6。

List-ADS-Design-Kits

图4-6 List ADS Design Kits

4.2.3 创建仿真工程

在ADS主界面中点击“Create A New Project”图标,开始创建仿真工程,如图4-7。

Create-New-Projects

图4-7 创建仿真工程

在弹出的对话框中点击Browse找到希望保存的目录,在本设计中,选择了D:’ProjectsAMP_10WADS目录。在Name栏中文件夹路径后输入MRF8S26060_Sim_prj,ADS就完成了名为MRF8S26060_Sim_prj的仿真工程,如图4-8。此时,ADS会自动弹出一个原理图绘制窗口。

Input-Project-Name

图4-8 输入项目名称

4.2.4 LDMOS直流仿真

将4.2.3中弹出的原理图另存为DC-Sim.dsn,在器件库中选择Freescale MRF8S26060H Level2 Rev1 Model,如图4-9所示。

Select-Freescale-Model

图4-9 选择Freescale元器件库

这时依此点击出现的两个图标,便可以将MRF8S26060H的仿真模型及所涉及到的库文件放置在原理图中,如图4-10。

Add-MRF8S26060-Schematic

图4-10 在原理图中添加MRF8S26060H

分别选择Simulation-DC与Probe_Components控制板,添加电流表,PARAMETER SWEEP,DC,DisplayTemplate等控件,并按照如图4-11的方式连接完成,就得到了直流仿真的原理图。

DC-Simulation-Schematic

图4-11 直流仿真原理图

这时可点击Simulate图标,可以得到如图4-12所示的直流仿真结果。可以看到m1处Vds=28V,Vgs=2.7V,Ids=0.422A,这与MRF8S26060H Datasheet中所描述的基本一致。

DC-Simulation-Result

图4-12 直流仿真结果

4.2.5 LDMOS负载牵引仿真

负载牵引仿真是极其重要的环节。此处会花费较多篇幅进行讲解,在本站的一篇文章中总结了ADS负载牵引仿真中经常遇到的问题及解决办法,具体可查看http://www.witimes.com/loadpull-design-key-points-ads/

所谓负载牵引仿真,就是在放大器后面连接一个可变负载,当负载在一定范围内变化时,测量不同负载对应的不同的输出功率及PAE,负载牵引仿真的目的就是找到获得预期输出功率及PAE时对应的负载值。

4.2.5.1 使用Loadpull仿真模板

在MRF8S26060_Sim_pr新建一页原理图,点击DesignGuideLoadpull,如图4-13所示。

DesignGuide_LoadPull-1

图4-13 点击DesignGuide Loadpull

在弹出的对话框中选择One Tone Loadpull Simulation,即“单音负载牵引仿真”如图4-14所示。

One-Tone-Loadpull-Simulation

图4-14 选择One Tone Loadpull Simulation

点击OK,原理图中会出现ADS中已经设置好的仿真模板,如图4-15所示。

Loadpull-Schematic

图4-15 加载负载牵引仿真模板

4,2,5,2 Loadpull仿真过程

将4.2.5.1原理图中的默认FET换成MRF8S26060H,并将FSL_MRF8S26060H_TECH_INCLUDE添加至原理图;将VAR控件中的RFfreq设置为2437MHz,Vhigh即Vds设置为28V,Vlow设置为2.7V,如图4-16所示。

Set-Simulation-Conditions

图4-16 设置仿真条件

这时点击Simulate按钮,ADS便开始仿真过程,稍等片刻,便可以得到如图4-17所示的仿真结果(仿真结果的模板也是预先设置好的)。可以看到,最大的PAE(附加功率效率)仅为1.09%,最大功率也仅为21.54dBm,增益仅为11.54dB,与理想值差距比较大。

Loadpull-Result-1

图4-17 第一次负载牵引仿真结果

将Pavs更改为30dBm,再次仿真,得到如图4-18所示的仿真结果。可以看到,此时最大PAE已经大幅提升至27.26%,最大功率提升为42.21dBm,增益没有发生太大变化。其实这个结果是很容易理解的,当输入至LDMOS的功率较小时,LDMOS自身的静态功耗比例较大,所以PAE极低;随着输入功率的提升,LDMOS消耗的功率极其输出功率都在上升,但输出功率上升的更快,LDMOS自身的静态功耗比例减少,所以PAE大幅提升。

Loadpull-Result-2

图4-17 第二次负载仿真结果

虽然在第二次仿真后,PAE已大幅提升,但增益仍达不到要求,这就需要设置SweepEquations中的参数,即调整S11的原点及半径,调整仿真的范围。

值得注意的是,调整仿真范围非常容易出现仿真结果不收敛的情况,这个时候读者就需要按照http://www.witimes.com/loadpull-design-key-points-ads/文中提到的方法。由于文章篇幅的关系,我无法在本文中给出全部的实验过程,只能给出最终的仿真结果。在最终的仿真参数设定中,SweepEquations中的s11_rho设置为0.2,S11_center=-0.75+j*0,pts=500,同时将pavs设置为33dBm,如图4-18所示。

Final-Simulation-Setting

图4-18 最终的仿真参数设定

再次仿真,得到如图4-19所示的结果。可以看到,在m3点处,可以获得45.04dBm的输出功率并且对应的PAE为41.46%,很不错。

Loadpull-Result-3

图4-19 第三次负载牵引仿真结果

这时,可以看到当前的负载为13.16-j4.014,输入阻抗为2.31+j12.98。

4.2.6 LDMOS匹配电路设计与仿真

有了4.2.5中结论,我们就需要为LDMOS构造出13.16-j4.014的负载,当然也可以得知这时LDMOS的输出阻抗为13.16+j4.014。

不过,就在这时,本产品的设计工作发生了戏剧性的转变——Freescale发来了MRF8S26060H的参考设计,由于产品开发时间的限制,能用上Freescale的参考设计无疑是件很好的事情。虽然Freescale发来的参考设计是DXF格式,但是也为设计工作提供了巨大的帮助,参考设计如图4-20所示。

MRF8S26060H-Reference-Design

图4-20 MRF8S26060参考设计

从结构上看,这是一款Doherty结构的功放,但是每颗LDMOS又可以分别测试,也许这是为了方便客户评估,但这些不是本设计关心的重点,在本文中仅关心LDMOS的匹配电路。显而易见的是,LDMOS的偏置电路及Vds均是采用四分之一波长走线的方式,并通过微带线方式完成匹配。

为了最大限度地缩短产品开发周期,我们测量出MRF8S26060H相关的微带线尺寸,并在ADS中创建新的负载牵引原理图,如图4-21所示。此处配图可能不够清晰,但后续无线时代会推出PDF高清版,将会配备矢量图,读者可以看清全部细节。

New-Loadpull-Schematic

图4-21 新的负载牵引原理图

这里有以下两点需要注意:

Freescale参考设计用于2500-2700MHz,需要改变四分之一波长线的长度;

需要将所用PCB板材即Rogers RO4003C各项参数准确填写于MSub模型中,如图4-22。

MSub-RO4003C

图4-22 将RO4003C各项参数填写于MSub模型

按照图4-21中的原理图,重新进行负载牵引仿真,可以得到如图4-23所示的仿真结果,可以看到m3处在50欧姆附近,可以获得46.23dBm的输出功率及55.3%的PAE,完全可以达到预期指标。

New-Loadpull-Result

图4-23 新的负载牵引仿真结果

根据习惯,我们再进行一次S参数仿真,按照图4-24绘制新的仿真原理图,仿真后,可以得到如图4-25所示的仿真结果。可以看到,在2.4GHz WiFi设备的频率范围内,这样的匹配已经达到了很高的指标,S11全部在-10dB以下,增益也高达20dB左右,完全可以满足本产品要求。

S-Parameter-Schematic

图4-24 S参数仿真原理图

S-Parameter-Result

图4-25 S参数仿真结果

需要指出的是,S11的曲线过于尖锐,这可能是未来较大的风险所在,一旦PCB制作有偏差,那么最终的指标可能会差得比较多,不过作为第一版,还是值得做些尝试。

4.2.7 制作LDMOS模块

4.2.6中的仿真结果已经完全满足要求,这时我们需要将4.2.6中的原理图封装成一个模块,以便后续的联合仿真。去除图4-24中的S-PARAMETERS控件,并将Term1,Term2更换为Port1,Port2,如图4-26所示。

MRF8S26060H-Module

图4-26 制作MRF8S26060H模块

为了保证LDMOS模块的准确性,我们使用ADS生成一下PCB,可以看到如图4-27的效果,可以看到,与MRF8S26060的参考设计非常一致,只是四分之一波长走线未做转弯处理。

MRF8S26060H-Module-PCB

图4-27 LDMOS PCB图

至此,我们已经完成LDMOS的全部仿真工作,在后续的联合仿真中,直接调用本节中只做的模块即可。

4.3 功分器设计与仿真

在4.2节中,我们已经得知单颗LDMOS可以达到46.23dBm的射频输出功率,这距离我们的目标值50dBm还有些差距,因此考虑使用两颗LDMOS做功率合成,这就需要设计一个合适的功分器。

在MRF8S26060_Sim_prj工程下新建一份原理图,点击DesignGuidePassive Circuit,如图4-28所示。

DesignGuide-PowerDivider

图4-28 使用DesignGuide中的Passive Circuit功能

在弹出的对话框中点击Component Palette – Microstrip图标,如图4-29所示。

Paasive-Circuit-DesignGuide

图4-29 点击Component Palette – Microstrip图标

在更新的原理图设计窗口中点击Place Microstrip Wilkinson Divider按钮,将Wilkinson功分器符号添加至原理图中,如图4-30所示。添加完成后的原理图如图4-31所示。

Place-Microstrip-Wilkinson-Divider

图4-30 在原理图中添加Wilkinson功分器

Placed-Microstrip-Wilkinson-Divider

图4-31 添加完成的Wilkinson功分器

这时双击Wilkinson功分器符号,更改其目标参数,如图4-32所示。

Wilkinson-Divider-Parameter

图4-32 更改Wilkinson功分器参数

这时我们还需要为原理图添加MSub模型,采用与4.2.6中所提到的模型一致即可。相信此时读者能体会到我把PCB板材的选择作为仿真最开始的内容进行讲述,因为所有的仿真都离不开PCB参数。添加MSub模型后的原理图如图4-33所示。

Add-MSub

图4-33 添加MSub模型

这时回到Passive Circuit DesignGuide对话框中,点击Design Assistant标签,ADS就会自动为我们设计完成一款合格的功分器,在DA_WDCoupler1_untitled4上面点击Push Into Hierarchy之后,我们可以看到功分器的细节,如图4-34所示。

Push-Into-PowerDivider

图4-34 功分器内部细节

而易见的是,这样的功分器尺寸太大,不方便在这个产品上使用。我们重新调整DA_WDCoupler1_untitled4的参数,如图4-35所示。

Wilkinson-Divider-Parameter-New

图4-35 调整Wilkinson功分器参数

再次点击Passive Circuit DesignGuide对话框中的Design Assistant标签,并在设计完成的功分器上点击Push Into Hierarchy之后,我们可以看到新的功分器内部结构,如图4-36所示。

Push-Into-PowerDivider-New

图4-36 新的功分器内部结构

接下来对这个功分器进行S参数仿真,原理图如4-37所示。

Wilkinson-Divider-S-Parameter

图4-37 对功分器进行S参数仿真

仿真后的结果如图4-38所示,显然,这个功分器完全可以达到我们的要求。

Wilkinson-Divider-S-Parameter-Result

图4-38 功分器仿真结果

最后,将这个功分器生成PCB Layout,我们可以看到如图4-39所示的结果。

Wilkinson-Divider-PCB

图4-39 功分器生成PCB Layout

也许这个时候读者会有疑问,PCB设计使用的软件是Cadence Allegro,如何将这个功分器输入至Allegro呢?读者不必着急,在无线时代后续的章节中,后面会讲解到。

4.4 定向耦合器设计与仿真

经过4.3的详细讲解,我相信读者有能力自行完成定向耦合器的设计与仿真,两者的过程十分类似,因此不再赘述,这里只给出最终的仿真和设计结果。

Push-Into-Coupler

图4-40 定向耦合器设计结果

Coupler-Simulation-Result

图4-41 定向耦合器仿真结果

Coupler-PCB

图4-42 定向耦合器PCB Layout

4.5 带通滤波器设计与仿真

与定向耦合器类似,本节只给出带通滤波器的仿真与设计结果。

Push-Into-BPF

图4-43 带通滤波器内部结构

BPF-Simulation-Result图4-44 带通滤波器仿真结果

BPF-PCB-Layout

图4-45 带通滤波器PCB Layout

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