基于Ansoft Designer的射频功放电路阻抗匹配优化

基于Ansoft Designer的射频功放电路阻抗匹配优化设计

针对工作频率为433MHz的射频功率放大电路中的阻抗匹配问题，提出了基于EDA软件——Ansoft designer的阻抗匹配优化设计方法。运用Ansoft designer对射频功放电路进行了阻抗匹配优化设计，并对电路进行了仿真分析。仿真结果表明射频功放电路的增益得到了明显的提高，反射系数得到了显著的改善，达到了阻抗匹配优化设计的目的。
　　关键词: Ansoft Designer； 射频功率放大电路； 微带传输线； 阻抗匹配网络； 计算机仿真

　　近年来，无线通信的蓬勃发展，极大地推动了射频集成电路的设计与研究。在处理射频电路的实际设计问题时，总会遇到一些非常困难的工作，电路的阻抗匹配就是其中之一。目前阻抗匹配的设计方法主要有：
　　(1) 手工计算：这是一种极其繁琐的方法，因为需要用到较长（几千米）的计算公式，而且被处理的数据多为复数。
　　(2) 经验：只有在RF领域工作多年的工程技术人员才能使用这种方法。总而言之，它只适合于资深专家。
　　(3) EDA软件：由于传统的试验加调试的方法进行阻抗匹配不仅成本高、周期长，而且有很多不确定的因素，不能满足现代设计的要求。而选用EDA软件进行射频电路阻抗匹配设计虽然不能代替真正的实验，但它能够在射频电路的阻抗匹配设计中起到很好的指导作用，为射频集成电路的设计带来巨大的便利。
　　本文将采用EDA软件Ansoft designer解决工作频率为433MHz的射频功放电路的阻抗匹配问题，使得电路的增益和反射系数得到明显改善，并且电路的输入输出网络部分获得良好的阻抗匹配特性。在整个设计过程中射频电路的设计过程得到简化，设计成本明显降低，设计周期大大缩短。
1 射频功放电路原理
　　射频功率放大电路的原理图如图1所示，工作频率为433MHz，以功放集成芯片RF5110G为主芯片，RF5110G集成了三级放大器。图1中，与V_CC1(1)、V_CC(14)和RF OUT(9、10、11、12)连接的电容、电感主要对电源进行滤波。第一级和第二级放大器的关断由与VAPC1(16)连接的电容控制，第三级放大器的关断由与VAPC(15)连接的电容控制。输入和输出阻抗匹配网络是需要设计的部分。如何确定阻抗匹配网络中的微带传输线和元件的类型、参数以及连接关系，是射频功放阻抗匹配优化设计的关键。

 

2 射频功放电路阻抗匹配优化设计
　　射频功放阻抗匹配优化设计主要包括：50Ω微带传输线的选型及相关参数的确定；输入输出阻抗匹配网络中元件的类型、参数以及连接关系。
2.1 微带传输线的优化设计
　　微带传输线的优化设计需要使用Ansoft designer中的微带传输线分析合成工具来完成。在设计时，考虑到顶层的微带线两侧有接地的铜线，它们会影响传输线阻抗的阻抗值，所以应选用G_CPW型传输线,这里选用FR4作为制板材料，介质为覆铜，厚度d=0.8mm，ε_r=4.3，Z₀=50Ω,槽缝的宽度G=1mm。运用微带传输线分析合成工具软件分析50Ω的微带传输线，当工作频率为433MHz时，计算得到微带传输线的宽度W≈1.48mm，如图2所示。

2.2 输入输出阻抗匹配网络的优化设计
　　在进行输入输出阻抗匹配网络的优化设计之前，首先要建立主芯片RF5110G的网络模型。用网络模型分析电路可以避开电路的复杂性和非线性，简化网络输入、输出特性的关系，其中最重要的是不必了解系统的内部结构就可以通过实验确定网络输入、输出参数，即“黑盒子” 方法。将RF5110G用一个二端口网络表示，完成RF5110G的建模后，使用Ansoft designer中的Smith圆图来对输入输出阻抗匹配网络进行优化设计。Smith阻抗匹配优化设计分析图如图3所示。由3图分别得到：输入阻抗匹配电路由11.37nH(实际设计取12nH)的电感和电长度为5.3°(≈10.6mm)的50Ω微带传输线串联组成。
　　
　　输出阻抗匹配电路由15.05pF（实际设计取15pF）的电容和电长度为13°(≈26mm)的50Ω微带传输线并联组成。
　　
3 仿真分析
　　用Ansoft designer软件分别对完成阻抗匹配优化设计之前、之后的射频功放电路进行模拟分析。图4(a)、(b)分别给出了电路S参数的仿真结果：S参数随频率增加的变化趋势。由图4可知，在433MHz处，射频功放电路完成阻抗匹配优化设计之前的S₁₁、S₂₁、S₂₂分别为-10.21dB、23.11dB、-2.78dB，完成阻抗匹配优化设计之后的S₁₁、S₂₁、S₂₂分别为-30.96dB、26.8dB、-27.27dB，增益比阻抗匹配前增加了3.7dB,输入、输出端的反射系数分别下降了20.75dB、24.49dB，性能明显优于阻抗匹配前，说明该射频功放电路的输入输出匹配良好，反向隔离特性也良好。

　　本文应用EDA软件——Ansoft designer对射频功放
　　电路进行了阻抗匹配的设计。阻抗匹配完成后，电路仿真结果表明，射频功放电路的增益得到了明显的提高，反射系数得到了显著的改善，达到了阻抗匹配优化设计的目的。
　　与其他的阻抗匹配设计方法相比较，基于EDA的阻抗匹配设计方法，大大降低了生产成本，缩短了设计周期，在射频电路设计方面具有巨大的潜力。

参考文献
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