应用-PA-Loadpull-数据建立-PA模型进行输出匹配和发射链路设计

应用PALoadpull数据建立PA模型进行输出匹配和发射链路设计杨国华，李坚索尼爱立信移动通信产品（中国）有限公司摘要：本文介绍了一种通过Maurytuner实测PALoadpull数据导入ADS建立PA模型的方法，并将通过Momentum以电磁场仿真方式提取的PCB模型与器件模型进行共仿真设计PA输出匹配网络和射频发射链路。昀后对整个发射链路的部分射频性能进行仿真分析。关键字：ADS,PALoadpull,MauryTuner,Co-simulation,TxLink,Sparameters,PAmodeling一、引言在进行PA输出匹配和发射链路设计时往往需要PA模型。由于涉及知识产权，很难从PA供应商拿到PA精确的Spice模型。但是PALoadPull数据却相对容易从供应商获得或者自行通过Tuner进行测量。我们能否使用LoadPull测量数据建立PA模型并进行输出匹配和发射链路设计呢？答案是肯定的。现在使用ADS软件不但可以轻松高效地完成整个电路建模和设计，还能利用Momentum将电路模型放置在PCBLayout上进行电路和电磁共仿真，在设计时就把PCBLayout对电路的影响计算在内。下面以一个具体的移动电话射频设计为例详细说明这一方法。二、设计需求射频发射链路的框图和连接关系如图1-1所示，根据下列条件设计PA昀大增益输出匹配网络并对发射链路射频性能进行分析。设计中需将印刷电路板的影响一并考虑。图1-1工作频率：1850-1910MHzPA源阻抗：50ohmPA昀大增益：=25dB三、器件模型建立3.1PA模型建立3.1.1用PA的S参数建模和设计匹配电路面临的问题对于双向（）器件，带有负载L的PA输入端的信号流图，如图3-1所示。从PA输出端向PA源端的信号流图，如图3-2所示图3-1图3-2根据信号流图，图3-1和图3-2，得到PA输入端和输出端反射系数表达式，见式3-1和式3-2式3-1式3-2根据式3-1和式3-2可知PA输入阻抗与PA负载阻抗有关系，PA输出阻抗与PA的源阻抗有关。在设计PA输入输出匹配时需联立两式求解。3.1.2使用PALoadPull数据为PA建立模型通过ADS使用PALoadPull模型进行匹配设计时无需解此方程，LoadPull数据在测量时已将源阻抗对PA增益和功率的影响计入测量结果。LoadPull数据可以很直观的以等高线形式绘制在史密斯图上，并可将匹配网络设计目标直观的表示出来。使用MauryTuner搭建LoadPull测试环境，进行系统校准后对PA进行测量。应用ADS自带的LoadPullUtility按照图2-1所示操作将测量数据导入。在Step6中点击图2-1红圈内GenerateContours按钮，即可看到PA增益的等高线图，见图2-2所示。本文只关注功率增益。如需显示LoadPull数据中包含的其它变量等高，只需在step4和step5中加入即可。图2-1图2-2利用LoadPullUtility模型建立功能将LoadPull数据转换成PA模型，如图2-3所示。在BehavioralModel页面按图所示产生基于LoadPull的PA模型，如图2-4所示。图2-3图2-43.2Duplexer仿真模型建立使用Sparameters对Duplexer建模，应用已校准的AgilentVNA将测量的DuplexerSparameters保存为Touchstone类型的S3P文件，如图2-5所示，并在ADS中引用，见图2-6所示。图2-5图2-63.3PCBLayout模型建立将本设计中用到的PCBLayout导入Momentum,图2-7和图2-8所示，设置端口后进行Sparameters仿真。将仿真结果生成PCBLayout器件模型，如图2-9所示。图2-7图2-8图2-93.4电感，电容模型建立本例中使用电感和电容由muRata提供，模型也由muRata提供，需在DesignKit中将模型库安装后，即可在仿真中使用，图2-10所示为加入muRata器件库后的原理图编辑窗口图2-10四、输出匹配网络设计4.1输出匹配网络需求分析PA的负载阻抗由PA输出匹配网络，Duplexer和印刷电路板级连构成。完成本设计需要建立Duplexer和与之相连接的印刷电路板模型，并通过PA输出匹配网络调整PA此级联网络的输入阻抗，使其在SmithChart上进入PA昀大输出增益的等高线区域。4.2输出匹配网络仿真设计在schematics编辑界面使用前面已建好的器件模型绘制系统电路图，将匹配网络用0ohm代替，计算未进行匹配的PA负载阻抗，见图4-2史密斯图圆心附近红色曲线所示。我们设计匹配网络的目的就是将未进行匹配的PA负载阻抗曲线移动到以m1为圆心，半径小于0.1的圆内，也就是PA增益昀大的等高线内。图4-1图4-2设计步骤一电感L1和电容C1采用离散优化模式，设置电感L1的搜索范围1nHPartnumberLQP03TN1N0804到33nHPartnumberLQP03TN33NJ04，初始值为4n7PartnumberLQP03TN4N7H04如图4-3所示,电容C1搜索范围1pFPartnumberGRM0335C1H1R0BD01到39pFPartnumberGRM0335C1E390JD01，初始值为5pFGRM0335C1H5R0BD01。Term1阻抗设置为m1圆心的共轭30.6-8j，将优化目标的表达式设为dB(S(1,1))，Max=-20为优化结束条件，如图4-4所示。图4-3图4-4图4-5图4-6设计步骤二运行仿真，待仿真结束后选择simulation-UpdateOptimizationValues,软件自动将匹配网络电容C1为1p5，电感L1为3n1的PartNumber更新到原理图上，如图4-5所示。手动将Term1重新改回50ohm，运行S参数仿真器，在数据显示窗口可以看到PA的输出负载阻抗已经被匹配到昀大增益等高线内部，如图4-6所示。至此PA输出匹配计算完成。五、系统发射链路性能分析将PA模型和WCDMA信号连入电路图，如图5-1所示，至此系统发射链路建立完毕。运行包络仿真，PA输入信号功率0dBm，图5-2为射频测试端口Vout处输出信号功率谱。在ADS数据显示窗口应用表达式对输出频谱功率进行信道内积分，得出输出平均功率为23.488dBm，符合3GPP要求见图5-2。图5-1图5-25.1目前器件模型可分析如下系统射频性能⑴带内功率谱⑵群时延分析⑶如与数据流仿真器结合还可分析由传输引入的EVM增量以及带内的CCDF特性。5.2目前器件模型带来的分析局限性本文中PA模型由于不包含SOI和TOI非线性特性，另外Duplexer模型只包含工作频段在内的600MHz带宽数据，所以此链路只可进行与系统线性特性相关的带内射频性能分析，如需进行带外和非线性分析只需在测量LoadPull时将SOI，TOI一并测出在PA建模时选择加入即可，另外还需加大Duplexer测量频率范围。由于WCDMA信号非恒包络特性，进行分析时PA输入信号功率不宜过大，使PA输出功率满足3GPP或者系统要求即可。在拥有PA非线性模型后进行非线性分析时，还需进一步确认Order3的谐波是否适用。六、总结文中所应用的器件模型均为从实际器件中提取，应用这种方法可以比较精确的构建射频链路，提高仿真精度，在原型机试产前就可以将问题发现，在设计阶段就将问题解决并对设计进行优化，减少原型机调试工作量，降低技术风险，节约项目成本。参考文献[1]ReinholdLudwig,PavelBrethchko,RFCircuitDesignTheoryandApplicationsSciencePressandPearsonEducationNorthAsiaLimited[2]ADSDesignGuideAgilentTechnologies[3]EEsofKnowledgeCenter[4]EEsofAsianSupportCenter