射頻電路設(shè)計(jì)實(shí)錄（RF Design Record，簡稱RDR）是無線時(shí)代網(wǎng)站推出的系列射頻技術(shù)文章，記錄了一款產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)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(jìn)入本產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，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(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，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(yīng)該具有合適的機(jī)械強(qiáng)度；
- 所選用的射頻板材應(yīng)該便于生產(chǎn)，PCB制板廠不會(huì)因?yàn)榘宀膯栴}而耽誤生產(chǎn)進(jìn)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(hào)如表4-1所示。
表4-1 常用的射頻板材廠商及其型號(hào)
| Taconic |
| 型號(hào) |
頻率 |
介電常數(shù) |
損耗因子 |
型號(hào) |
頻率 |
介電常數(shù) |
損耗因子 |
| HT1.5 |
10GHz |
2.35±0.05 |
0.0025 |
射頻-35 |
1.9GHz |
3.5±0.1 |
0.0025 |
| TLE-95 |
10GHz |
2.95±0.05 |
0.0028 |
射頻-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 |
| 型號(hào) |
頻率 |
介電常數(shù) |
損耗因子 |
型號(hào) |
頻率 |
介電常數(shù) |
損耗因子 |
| 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 |
| 型號(hào) |
頻率 |
介電常數(shù) |
損耗因子 |
型號(hào) |
頻率 |
介電常數(shù) |
損耗因子 |
| 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 |
| 型號(hào) |
頻率 |
介電常數(shù) |
損耗因子 |
型號(hào) |
頻率 |
介電常數(shù) |
損耗因子 |
| 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 |
| 型號(hào) |
頻率 |
介電常數(shù) |
損耗因子 |
型號(hào) |
頻率 |
介電常數(shù) |
損耗因子 |
| 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(hào)。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(jī)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(shè)計(jì)，因此RO4003C的0.813mm板材是比較合適的，0.8mm的板厚強(qiáng)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(fèi)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(jì)算RO4003C 0.8mm板厚特征阻抗方法如圖4-2所示，可以看到，當(dāng)特征阻抗控制為50歐姆時(shí)，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(jì)算特征阻抗
4.2 LDMOS末級(jí)輸出放大器設(shè)計(jì)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(jí)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(diǎn)擊MRF8S26060H_MDL_ADS后面的“Download”按鈕進(jìn)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(gè)模型還不夠，實(shí)際仿真時(shí)還需要使用另外的一個(gè)Model Kit叫做RF_HIGH_POWER_MODEL_ADS_KIT，讀者可以點(diǎn)擊上述鏈接中RF_HIGH_POWER_MODEL_ADS_KIT后面的“Download”按鈕進(jìn)行下載。
4.2.2 導(dǎo)入LDMOS仿真模型
在ADS主界面中點(diǎn)擊DesignKit按鈕，如圖4-3。
圖4-3 點(diǎn)擊DesignKit按鈕
在彈出的Install ADS Design Kit對話框中點(diǎn)擊“Unzip Design Kit Now”按鈕，并在新的對話框中點(diǎn)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(shí)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)擊“Create A New Project”圖標(biāo)，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(diǎn)擊Browse找到希望保存的目錄，在本設(shè)計(jì)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(shí)，ADS會(huì)自動(dòng)彈出一個(gè)原理圖繪制窗口。
圖4-8 輸入項(xiàng)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(shí)依此點(diǎn)擊出現(xiàn)的兩個(gè)圖標(biāo)，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(shí)可點(diǎn)擊Simulate圖標(biāo)，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(fù)載牽引仿真
負(fù)載牽引仿真是極其重要的環(huán)節(jié)。此處會(huì)花費(fèi)較多篇幅進(jìn)行講解，在本站的一篇文章中總結(jié)了ADS負(fù)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(fù)載牽引仿真，就是在放大器后面連接一個(gè)可變負(fù)載，當(dāng)負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，測量不同負(fù)載對應(yīng)的不同的輸出功率及PAE，負(fù)載牽引仿真的目的就是找到獲得預(yù)期輸出功率及PAE時(shí)對應(yīng)的負(fù)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(diǎn)擊DesignGuide?Loadpull，如圖4-13所示。
圖4-13 點(diǎn)擊DesignGuide Loadpull
在彈出的對話框中選擇One Tone Loadpull Simulation，即“單音負(fù)載牽引仿真”如圖4-14所示。
圖4-14 選擇One Tone Loadpull Simulation
點(diǎn)擊OK，原理圖中會(huì)出現(xiàn)ADS中已經(jīng)設(shè)置好的仿真模板，如圖4-15所示。
圖4-15 加載負(fù)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(rèn)FET換成MRF8S26060H，并將FSL_MRF8S26060H_TECH_INCLUDE添加至原理圖；將VAR控件中的RFfreq設(shè)置為2437MHz，Vhigh即Vds設(shè)置為28V，Vlow設(shè)置為2.7V，如圖4-16所示。
圖4-16 設(shè)置仿真條件
這時(shí)點(diǎn)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(yù)先設(shè)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(fù)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(shí)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(shí)這個(gè)結(jié)果是很容易理解的，當(dāng)輸入至LDMOS的功率較小時(shí)，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(fù)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(dá)不到要求，這就需要設(shè)置SweepEquations中的參數(shù)，即調(diào)整S11的原點(diǎn)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(gè)時(shí)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(guān)系，我無法在本文中給出全部的實(shí)驗(yàn)過程，只能給出最終的仿真結(jié)果。在最終的仿真參數(shù)設(shè)定中，SweepEquations中的s11_rho設(shè)置為0.2，S11_center=-0.75+j*0，pts=500，同時(shí)將pavs設(shè)置為33dBm，如圖4-18所示。
圖4-18 最終的仿真參數(shù)設(shè)定
再次仿真，得到如圖4-19所示的結(jié)果。可以看到，在m3點(diǎn)處，可以獲得45.04dBm的輸出功率并且對應(yīng)的PAE為41.46%，很不錯(cuò)。
圖4-19 第三次負(fù)載牽引仿真結(jié)果
這時(shí)，可以看到當(dāng)前的負(fù)載為13.16-j4.014，輸入阻抗為2.31+j12.98。
4.2.6 LDMOS匹配電路設(shè)計(jì)與仿真
有了4.2.5中結(jié)論，我們就需要為LDMOS構(gòu)造出13.16-j4.014的負(fù)載，當(dāng)然也可以得知這時(shí)LDMOS的輸出阻抗為13.16+j4.014。
不過，就在這時(shí)，本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作發(fā)生了戲劇性的轉(zhuǎn)變——Freescale發(fā)來了MRF8S26060H的參考設(shè)計(jì)，由于產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間的限制，能用上Freescale的參考設(shè)計(jì)無疑是件很好的事情。雖然Freescale發(fā)來的參考設(shè)計(jì)是DXF格式，但是也為設(shè)計(jì)工作提供了巨大的幫助，參考設(shè)計(jì)如圖4-20所示。
圖4-20 MRF8S26060參考設(shè)計(jì)
從結(jié)構(gòu)上看，這是一款Doherty結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)關(guān)心的重點(diǎn)，在本文中僅關(guān)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(guān)的微帶線尺寸，并在ADS中創(chuàng)建新的負(fù)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(shí)代會(huì)推出PDF高清版，將會(huì)配備矢量圖，讀者可以看清全部細(xì)節(jié)。
圖4-21 新的負(fù)載牽引原理圖
這里有以下兩點(diǎn)需要注意：
Freescale參考設(shè)計(jì)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(xiàng)參數(shù)準(zhǔn)確填寫于MSub模型中，如圖4-22。
圖4-22 將RO4003C各項(xiàng)參數(shù)填寫于MSub模型
按照圖4-21中的原理圖，重新進(jìn)行負(fù)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(dá)到預(yù)期指標(biāo)。
圖4-23 新的負(fù)載牽引仿真結(jié)果
根據(jù)習(xí)慣，我們再進(jìn)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(shè)備的頻率范圍內(nèi)，這樣的匹配已經(jīng)達(dá)到了很高的指標(biāo)，S11全部在-10dB以下，增益也高達(dá)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(fēng)險(xiǎn)所在，一旦PCB制作有偏差，那么最終的指標(biāo)可能會(huì)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(shí)我們需要將4.2.6中的原理圖封裝成一個(gè)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(zhǔn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)與仿真
在4.2節(jié)中，我們已經(jīng)得知單顆LDMOS可以達(dá)到46.23dBm的射頻輸出功率，這距離我們的目標(biāo)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(shè)計(jì)一個(gè)合適的功分器。
在MRF8S26060_Sim_prj工程下新建一份原理圖，點(diǎn)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(diǎn)擊Component Palette – Microstrip圖標(biāo)，如圖4-29所示。
圖4-29 點(diǎn)擊Component Palette – Microstrip圖標(biāo)
在更新的原理圖設(shè)計(jì)窗口中點(diǎn)擊Place Microstrip Wilkinson Divider按鈕，將Wilkinson功分器符號(hào)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(shí)雙擊Wilkinson功分器符號(hào)，更改其目標(biāo)參數(shù)，如圖4-32所示。
圖4-32 更改Wilkinson功分器參數(shù)
這時(shí)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(shí)讀者能體會(huì)到我把PCB板材的選擇作為仿真最開始的內(nèi)容進(jìn)行講述，因?yàn)樗械姆抡娑茧x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(shí)回到Passive Circuit DesignGuide對話框中，點(diǎn)擊Design Assistant標(biāo)簽，ADS就會(huì)自動(dòng)為我們設(shè)計(jì)完成一款合格的功分器，在DA_WDCoupler1_untitled4上面點(diǎn)擊Push Into Hierarchy之后，我們可以看到功分器的細(xì)節(jié)，如圖4-34所示。
圖4-34 功分器內(nèi)部細(xì)節(jié)
而易見的是，這樣的功分器尺寸太大，不方便在這個(gè)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(diǎn)擊Passive Circuit DesignGuide對話框中的Design Assistant標(biāo)簽，并在設(shè)計(jì)完成的功分器上點(diǎn)擊Push Into Hierarchy之后，我們可以看到新的功分器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖4-36所示。
圖4-36 新的功分器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
接下來對這個(gè)功分器進(jìn)行S參數(shù)仿真，原理圖如4-37所示。
圖4-37 對功分器進(jìn)行S參數(shù)仿真
仿真后的結(jié)果如圖4-38所示，顯然，這個(gè)功分器完全可以達(dá)到我們的要求。
圖4-38 功分器仿真結(jié)果
最后，將這個(gè)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(gè)時(shí)候讀者會(huì)有疑問，PCB設(shè)計(jì)使用的軟件是Cadence Allegro，如何將這個(gè)功分器輸入至Allegro呢？讀者不必著急，在無線時(shí)代后續(xù)的章節(jié)中，后面會(huì)講解到。
4.4 定向耦合器設(shè)計(jì)與仿真
經(jīng)過4.3的詳細(xì)講解，我相信讀者有能力自行完成定向耦合器的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)結(jié)果。
圖4-40 定向耦合器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)結(jié)果。
圖4-43 帶通濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖4-44 帶通濾波器仿真結(jié)果
圖4-45 帶通濾波器PCB Layout
