：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普遍应用，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。 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普遍应用，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。 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，不但可以大大减少器件的使用，节省本金，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，进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。 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;工作时候的温度：-40℃～+65℃。其它参数没有特别的条件，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信息参数如图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，无特别的条件一般选择默认值。 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的基本要求。其漏极最大工作电压为65V，能够保证本论文设计的要求。通过晶体管直流特性分析，能确定其栅极偏置电压。设计目标输出功率在300W左右，为便于匹配，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。 随着计算机仿真技术的持续不断的发展，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线 直流工作点仿真 直流偏置仿线所示，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中显示了电路仿线℃)下漏级电流随栅源电压VGS和漏源电压VDS的变动情况。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 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、 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，双电源供电既能够更好的降低高频噪声的不利影响，还能确保更便利的调整静态工作点。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。电路图和仿线所示。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参数扫描仿线下面有扫描范围和步长参数;StabFact是测量稳定因子的仿线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中的仿真结果能看出，在添加偏置电路后，工作频率下StabFact1，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线负载牵引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 ，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 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，该仿线V低端供电电压。 ，最终得到如图5的仿线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。 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。 。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”。 从仿真结果能够准确的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%。考虑输出功率和效率，基本满足设计需求。
