一种新型射频导热治疗仪的功率放大电路的仿真设计

作者 侯春光 楚岩 长安大学 电子与控制工程学院(陕西 西安 710064)

侯春光(1990-)，男，硕士生，研究方向：控制工程;楚岩，女，教授，研究方向：电子技术应用、仪表仪器。

摘要：信息时代的到来极大地改变了人类社会的生产、生活、工作和学习方式。射频功率放大器不仅在通讯系统中得到广泛应用，还逐渐被应用于其他领域内。本文为一种新型射频导热治疗仪所设计的大功率射频放大器电路，满足工作于射频低端。借助ADS仿真软件采用负载牵引技术的设计方式，通过对整体效率、功率增益、功率容量等一系列的对比。得出最佳输入、输出阻抗，并进行阻抗匹配电路的设计。在此基础上对整个功率放大电路进行谐波平衡优化仿真，显示达到良好的设计效果。

引言

　　对于射频功率放大器在医疗方面的应用，由于欧美等发达国家在此技术领域展开了较早的关注和研究，其科研成果处于前沿地位^[1]。而该行业在国内研究起步较晚，加上技术壁垒，大多还处于初步研究和实验阶段。

　　本文所设计的新型射频导热治疗主要硬件部分是一种大功率射频放大器电路，旨在集成以往中小功率的该类产品，不仅可以大大减少器件的使用，节约成本，还提高了系统的稳定性和空间、体积上的优势。其输出端经过功分器可直接与施加在患者身体部位的导热针相连接，从而达到利用射频电磁波作用于人体病变组织，消除肌体中无菌性炎症，松解肌肉痉挛，增加局部供血，促进组织修复和肌细胞再生，从而解除软组织疼痛的医疗保健作用。相信不久的将来，此类技术成果会逐渐应用到保健按摩、局部美容，甚至微创外科手术中去，并将开创医学领域的新亮点。

1 功率放大电路性能指标

　　工作频率：540kHz左右;输出功率:200~300W(输入1W);功率增益：≥23dB;增益平坦度：≤4dB;工作温度：-40℃～+65℃。其它参数没有特殊要求，就按本领域设计的一般要求来设定。

　　设计要求540kHz的工作频率属于射频领域内的低频率范围，选择器件时要考虑此频率下的仿真特性与等效模型。考虑到功率放大器输出寄生电容要求在pF量级，输出功率要求为54dBm，可选择市面上统一封装在一起的互补对管满足大功率、高增益的需求，以及经受住过流、耐压，足够的裕量值和良好的散热设计。同时在提高效率、防止引入额外损耗、精简体积、增加整体稳定性上大有裨益。最终本设计功率放大器件选用Freescale公司(已被NXP公司收购)发售型号为MRF6VP5300N的LDMOS晶体管。它的器件模型和基本参数如图1及表1所示^[2]。图1中的“FSL_TECH_INCLUDE”是仿真时的控件，用于支持模型库。模型下面的参数TNOM指环境温度，TSNK、RTH、CTH分别是热沉温度、热电阻系数、热电容系数，无特殊要求一般选择默认值。

　　在AB类工作状态下，参考工作频率是1.8～600MHz，额定输出功率54.8dBm，增益24.8dB。在VDD=50V，1MHz情况下，其漏极寄生输出电容为lpF。以上指标满足我们的设计要求。其漏极最大工作电压为65V，可以保证本论文设计的要求。通过晶体管直流特性分析，可以确定其栅极偏置电压。设计目标输出功率在300W左右，为了便于匹配，我们统一选择匹配电阻为50Ω。同时，考虑到其他引入的损耗，要适当地提高漏极电压，预设晶体管漏极最高电压理论上为53.4V，低于晶体管额定漏极电压，保证晶体管的安全工作。

2 射频功率放大电路的仿真设计

　　随着计算机仿真技术的不断发展，目前很多公司推出的商业仿真辅助软件经过一代代的更新，诸多功能已经做得很完善，诸如可直接调用负载牵引仿真工程，而不再让使用者像以往那样亦步亦趋，软件自身集成Smith圆图工具，可以直接在射频功率电路中进行阻抗匹配网络的设计。本设计采用的Agilen ADS辅助设计软件进行射频仿真。

2.1 直流工作点仿真

　　直流偏置仿真电路如图2所示，该电路使用了ADS内置的场效应管的直流仿真模块FET Curve Tracer，图2中显示了电路仿真常温(25℃)下漏级电流随栅源电压VGS和漏源电压VDS的变化情况。其中Motorola LDMOS管有三个参数：TSNK——Heat Sink Temp、RTH——Thermal Resistance coeff.、CTH——Thermal Capacitance，该电路均使用默认值。仿真图中纵坐标IDS的单位是“A”，横坐标VDS的单位是“V”。图2中的FET Curve Tracer是直流仿真模块，右侧的VGS、VDS的值分别是仿真时栅源电压和漏源电压的扫描范围。图2左侧方框是指在m1标志点处，即VDS为50 V，VGS为2.7V，工作电流IDS为170mA时消耗功率为8.833W。右侧是不同静态工作条件下的仿真曲线。

　　对于由于要求不同的静态工作点，同一器件的信号特性是有差别的;工作频率的不同，也导致表现出不同的器件特性。经图2仿真图示表明，该工作状态下的栅极电压值为2.7V，进而确定其静态工作点(VDS为50V，VGS为2.7V)，工作电流IDS为170mA^[3]。

2.2 偏置电路与稳定性的仿真分析

　　确定静态工作点，为了使设计电路的工作电压和电流满足设计需要，则需要设计偏置网络。所设计的偏置网络要保证降低偏置对系统参数、阻抗匹配的不利影响。本设计采用双电源为栅极和漏极提供所需电压，双电源供电既可以降低高频噪声的不利影响，还能确保更加方便的调整静态工作点。直流偏置电路的设计采用了特征阻抗很大、可形成开路的高频电感和集总参数组成的旁路电容。电路图和仿真结果图3所示。仿真图中纵坐标StabFact的单位是“1”，横坐标freq的单位是“MHz”。图3中的Term1和Term2分别是50Ω的源阻抗和负载阻抗端口，用于仿真分析。S-PARAMETES是S参数扫描仿真控件，图3下面有扫描范围和步长参数;StabFact是测量稳定因子的仿真控件。图3中的仿真结果是频率与稳定因子组成的数轴以及m1标志点处的值。

　　从图3中的仿真结果可以看出，在添加偏置电路后，工作频率下StabFact>1，既保证了功率放大器件在整个工作频率内可以稳定地输出功率。所以偏置电路满足设计要求，可以进行接下来的仿真设计。

2.3　负载牵引Load Pull仿真设计

　　如果我们可以使它的输出端口匹配，则根据二端口微波网络理论，根据其输入端的反射系数可以直接导出输入阻抗。而输出端所接负载的共轭值为其输出阻抗。正是基于这一原理^[4]，负载牵引设计方法(Load-pull)可以精确地测定最佳负载阻抗，并方便地找到最大输出功率时的最佳负载阻抗，得出最佳的功率输出和效率水平^[5]。

　　打开仿真软件的负载牵引仿真例程图。将管子更换成我们已经选定的MRF6V5300N，替换原来默认的器件模型，然后输入功率Pavs改成20dBm，频率RFfreq改成541kHz，漏电压Vhigh改成50V，栅压(偏置电压)改成2.7，其它都保持不变，如图4所示。

　　图中P_1Tone是交流信号频率变换分析中常用作源的组件，S1P_Eqn常作为负载组件。PARAM SWEEP是参数扫描控件，HARMONIC BALANCE是谐波平衡仿真控件，VAR用于参数设置，该仿真参数设置为541kHz的工作频率，24dBm的输入值，50V高端和3.2V低端供电电压。

　　通过改变栅极电压或者增大外部漏极电压的方法进一步优化提高仿真值。合理的调整参数和电路布局，在局部加人优化目标GOAL控件^[6]，最终得到如图5的仿真结果。

　　图5左侧是功率输出和整体效率的仿真图，右侧是仿真参数的设置，包括功率输出和整体效率的步长和显示的仿真曲线条数，下侧是m1、m2标志点处对应的负载阻抗值。

　　这样不仅输出功率已经超出300W的范畴，连同整个效率也达到40%以上。完全满足要求。综合考虑输出功率和效率，从图中可选择5.937+J*4.630作为最佳负载阻抗，然后进行阻抗网络的匹配。

3 阻抗网络匹配与整体优化仿真

　　通过ADS自带的施密特原图工具，按照之前仿真得到的最佳负载阻抗，借助Smith圆图进行负载阻抗网络的匹配，将匹配网络电路连接到输出端电路中后，进行源负载牵引仿真，方法与上同。最终得到匹配后的输入输出匹配网络整体功率电路图如图6所示。

　　将匹配完整的电路图进行谐波平衡法仿真分析，调用工具栏中的仿工具，设置仿真参数，经过适当的优化得到如下仿真结果^[7]。仿真图中纵坐标PAE的单位是“1”，纵坐标Pdel的单位是“dBm”，横坐标Pin的单位是“dBm”。

　　从仿真结果可以看出输出功率已经接近300W，同时整个功率放大电路系统的效率虽然略有下降，但也超过35%。综合考虑输出功率和效率，基本满足设计需求。

4 结论

　　本章借助ADS的仿真平台，通过LDMOS的器件仿真模型，按照确定直流工作点，设置偏置电路和稳定性的讨论，负载牵引技术确定并设计阻抗匹配网络的设计流程，搭建并完成射频功率放大电路的设计，最后通过谐波平衡的仿真和优化，最终得到满足设计指标要求的射频功率放大器的系统电路。

　　参考文献：

　　[1]李建功,唐雄燕.智慧医疗应用技术特点及发展趋势[J].中兴通讯技术,2012,18(2):1-7.

　　[2]MRFE6VP5300N-datasheet[EB/OL].http://www.nxp.com，Rev.1,6/2014.

　　[3]曹雄斐,杨维明,张瑞,等.基于ADS的LDMOS功率放大器设计与仿真[J].湖北大学学报(自科版),2014,36(4):317-322.

　　[4]应子罡,吕昕,高本庆,等.GaAsFET大信号等效电路参数提取[J].固体电子学研究与进展, 2005, 25 (4):464-468.

　　[5]高金辉,苏明坤,李迎迎.基于ADS仿真的射频功放设计[J].河南师范大学学报(自然版) 2011,39(6):48-50.

　　[6]郭潇菲,刘凤莲,王传敏.微波功率放大器晶体管匹配电路设计[J].微波学报,2009,25(5):67—69.

　　[7]徐兴福.ADS2008射频电路设计与仿真实例[M].第2版.北京:电子工业出版社,2013:190-224.

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第11期第60页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。