射频电路设计实录（RF Design Record，简称RDR）是无线时代网站推出的系列射频技术文章，记录了一款产品的完整设计过程。本文是其中的第四章，ADS仿真。

4. ADS仿真

从本章开始，将进入本产品设计的核心阶段。

4.1 PCB板材的选择

4.1.1 需要考虑的因素

也许很多读者还不知道的是，PCB板材的选择是ADS仿真的第一步。理由如下：

• 不同于小功率射频电路设计，本产品具有较大的输出功率，LDMOS需要吸收较大的电流，所以需要使用较宽的馈线为LDMOS馈电，这就要求50欧姆射频走线具有较宽的线宽；
• LDMOS往往需要使用微带器件进行匹配设计，这就要求PCB板材的介电常数十分稳定，均匀，这就要求我们选用专用的射频板材；
• 所选用的板材应该具有合适的机械强度；
• 所选用的射频板材应该便于生产，PCB制板厂不会因为板材问题而耽误生产进度。

4.1.2 常用的射频PCB板材

常用的射频板材厂商及其型号如表4-1所示。

表4-1 常用的射频板材厂商及其型号

4.1.3 PCB板材的确定

相信很多读者对于罗杰斯板材都有所耳闻，本人也是如此，与PCB制板厂联系之后，得知RO4003C与RO4350B都是常备型号。其中RO4003C与RO4350B又分别有几种不同的规格，如图4-1。

图4-1 RO4000系列PCB机械特性

根据前文的讨论，本产品使用2层板足以完成全部设计，因此RO4003C的0.813mm板材是比较合适的，0.8mm的板厚强度还是可以的。值得一提的是，罗杰斯官方网站有一款叫做MWI的免费软件，里面已经内置了Rogers公司的全部板材参数，读者可自行前往Rogers官方网站下载，也可以在本站下载。

使用MWI计算RO4003C 0.8mm板厚特征阻抗方法如图4-2所示，可以看到，当特征阻抗控制为50欧姆时，走线宽度为71mil，完全可以满足LDMOS的馈电要求。

图4-2 使用MWI计算特征阻抗

4.2 LDMOS末级输出放大器设计与仿真

这部分的仿真是本章的核心内容。

4.2.1 获取LDMOS仿真模型

如前所述，本产品使用Freescale的MRF8S26060H作为末级输出器件，读者可以自行前往Freescale的官方网站获取仿真模型，获取仿真模型的链接如下，点击MRF8S26060H_MDL_ADS后面的“Download”按钮进行下载。

http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MRF8S26060H&fpsp=1&tab=Design_Tools_Tab

需要注意的是，仅下载这个模型还不够，实际仿真时还需要使用另外的一个Model Kit叫做RF_HIGH_POWER_MODEL_ADS_KIT，读者可以点击上述链接中RF_HIGH_POWER_MODEL_ADS_KIT后面的“Download”按钮进行下载。

4.2.2 导入LDMOS仿真模型

在ADS主界面中点击DesignKit按钮，如图4-3。

图4-3 点击DesignKit按钮

在弹出的Install ADS Design Kit对话框中点击“Unzip Design Kit Now”按钮，并在新的对话框中点击Browse按钮，选择刚刚下载得到zip后缀的文件，如图4-4。

图4-4 选择Design Kit

选择完成后回到Install ADS Design Kit对话框，我们可以看到如图4-5所示的结果。

图4-5 已解压的DesignKit

此时点击OK，即可将MRF8S26060H的模型添加至ADS的库中。用同样的方法处理RF_POWER_ADS2011_DK.zip，最后点击DesignKit?List Design Kits，即可显示出已安装的仿真模型，如图4-6。

图4-6 List ADS Design Kits

4.2.3 创建仿真工程

在ADS主界面中点击“Create A New Project”图标，开始创建仿真工程，如图4-7。

图4-7 创建仿真工程

在弹出的对话框中点击Browse找到希望保存的目录，在本设计中，选择了D:’ProjectsAMP_10WADS目录。在Name栏中文件夹路径后输入MRF8S26060_Sim_prj，ADS就完成了名为MRF8S26060_Sim_prj的仿真工程，如图4-8。此时，ADS会自动弹出一个原理图绘制窗口。

图4-8 输入项目名称

4.2.4 LDMOS直流仿真

将4.2.3中弹出的原理图另存为DC-Sim.dsn，在器件库中选择Freescale MRF8S26060H Level2 Rev1 Model，如图4-9所示。

图4-9 选择Freescale元器件库

这时依此点击出现的两个图标，便可以将MRF8S26060H的仿真模型及所涉及到的库文件放置在原理图中，如图4-10。

图4-10 在原理图中添加MRF8S26060H

分别选择Simulation-DC与Probe_Components控制板，添加电流表，PARAMETER SWEEP，DC，DisplayTemplate等控件，并按照如图4-11的方式连接完成，就得到了直流仿真的原理图。

图4-11 直流仿真原理图

这时可点击Simulate图标，可以得到如图4-12所示的直流仿真结果。可以看到m1处Vds=28V，Vgs=2.7V，Ids=0.422A，这与MRF8S26060H Datasheet中所描述的基本一致。

图4-12 直流仿真结果

4.2.5 LDMOS负载牵引仿真

负载牵引仿真是极其重要的环节。此处会花费较多篇幅进行讲解，在本站的一篇文章中总结了ADS负载牵引仿真中经常遇到的问题及解决办法，具体可查看https://www.witimes.com/loadpull-design-key-points-ads/。

所谓负载牵引仿真，就是在放大器后面连接一个可变负载，当负载在一定范围内变化时，测量不同负载对应的不同的输出功率及PAE，负载牵引仿真的目的就是找到获得预期输出功率及PAE时对应的负载值。

4.2.5.1 使用Loadpull仿真模板

在MRF8S26060_Sim_pr新建一页原理图，点击DesignGuide?Loadpull，如图4-13所示。

图4-13 点击DesignGuide Loadpull

在弹出的对话框中选择One Tone Loadpull Simulation，即“单音负载牵引仿真”如图4-14所示。

图4-14 选择One Tone Loadpull Simulation

点击OK，原理图中会出现ADS中已经设置好的仿真模板，如图4-15所示。

图4-15 加载负载牵引仿真模板

4,2,5,2 Loadpull仿真过程

将4.2.5.1原理图中的默认FET换成MRF8S26060H，并将FSL_MRF8S26060H_TECH_INCLUDE添加至原理图；将VAR控件中的RFfreq设置为2437MHz，Vhigh即Vds设置为28V，Vlow设置为2.7V，如图4-16所示。

图4-16 设置仿真条件

这时点击Simulate按钮，ADS便开始仿真过程，稍等片刻，便可以得到如图4-17所示的仿真结果（仿真结果的模板也是预先设置好的）。可以看到，最大的PAE（附加功率效率）仅为1.09%，最大功率也仅为21.54dBm，增益仅为11.54dB，与理想值差距比较大。

图4-17 第一次负载牵引仿真结果

将Pavs更改为30dBm，再次仿真，得到如图4-18所示的仿真结果。可以看到，此时最大PAE已经大幅提升至27.26%，最大功率提升为42.21dBm，增益没有发生太大变化。其实这个结果是很容易理解的，当输入至LDMOS的功率较小时，LDMOS自身的静态功耗比例较大，所以PAE极低；随着输入功率的提升，LDMOS消耗的功率极其输出功率都在上升，但输出功率上升的更快，LDMOS自身的静态功耗比例减少，所以PAE大幅提升。

图4-17 第二次负载仿真结果

虽然在第二次仿真后，PAE已大幅提升，但增益仍达不到要求，这就需要设置SweepEquations中的参数，即调整S11的原点及半径，调整仿真的范围。

值得注意的是，调整仿真范围非常容易出现仿真结果不收敛的情况，这个时候读者就需要按照https://www.witimes.com/loadpull-design-key-points-ads/文中提到的方法。由于文章篇幅的关系，我无法在本文中给出全部的实验过程，只能给出最终的仿真结果。在最终的仿真参数设定中，SweepEquations中的s11_rho设置为0.2，S11_center=-0.75+j*0，pts=500，同时将pavs设置为33dBm，如图4-18所示。

图4-18 最终的仿真参数设定

再次仿真，得到如图4-19所示的结果。可以看到，在m3点处，可以获得45.04dBm的输出功率并且对应的PAE为41.46%，很不错。

图4-19 第三次负载牵引仿真结果

这时，可以看到当前的负载为13.16-j4.014，输入阻抗为2.31+j12.98。

4.2.6 LDMOS匹配电路设计与仿真

有了4.2.5中结论，我们就需要为LDMOS构造出13.16-j4.014的负载，当然也可以得知这时LDMOS的输出阻抗为13.16+j4.014。

不过，就在这时，本产品的设计工作发生了戏剧性的转变——Freescale发来了MRF8S26060H的参考设计，由于产品开发时间的限制，能用上Freescale的参考设计无疑是件很好的事情。虽然Freescale发来的参考设计是DXF格式，但是也为设计工作提供了巨大的帮助，参考设计如图4-20所示。

图4-20 MRF8S26060参考设计

从结构上看，这是一款Doherty结构的功放，但是每颗LDMOS又可以分别测试，也许这是为了方便客户评估，但这些不是本设计关心的重点，在本文中仅关心LDMOS的匹配电路。显而易见的是，LDMOS的偏置电路及Vds均是采用四分之一波长走线的方式，并通过微带线方式完成匹配。

为了最大限度地缩短产品开发周期，我们测量出MRF8S26060H相关的微带线尺寸，并在ADS中创建新的负载牵引原理图，如图4-21所示。此处配图可能不够清晰，但后续无线时代会推出PDF高清版，将会配备矢量图，读者可以看清全部细节。

图4-21 新的负载牵引原理图

这里有以下两点需要注意：

Freescale参考设计用于2500-2700MHz，需要改变四分之一波长线的长度；

需要将所用PCB板材即Rogers RO4003C各项参数准确填写于MSub模型中，如图4-22。

图4-22 将RO4003C各项参数填写于MSub模型

按照图4-21中的原理图，重新进行负载牵引仿真，可以得到如图4-23所示的仿真结果，可以看到m3处在50欧姆附近，可以获得46.23dBm的输出功率及55.3%的PAE，完全可以达到预期指标。

图4-23 新的负载牵引仿真结果

根据习惯，我们再进行一次S参数仿真，按照图4-24绘制新的仿真原理图，仿真后，可以得到如图4-25所示的仿真结果。可以看到，在2.4GHz WiFi设备的频率范围内，这样的匹配已经达到了很高的指标，S11全部在-10dB以下，增益也高达20dB左右，完全可以满足本产品要求。

图4-24 S参数仿真原理图

图4-25 S参数仿真结果

需要指出的是，S11的曲线过于尖锐，这可能是未来较大的风险所在，一旦PCB制作有偏差，那么最终的指标可能会差得比较多，不过作为第一版，还是值得做些尝试。

4.2.7 制作LDMOS模块

4.2.6中的仿真结果已经完全满足要求，这时我们需要将4.2.6中的原理图封装成一个模块，以便后续的联合仿真。去除图4-24中的S-PARAMETERS控件，并将Term1，Term2更换为Port1，Port2，如图4-26所示。

图4-26 制作MRF8S26060H模块

为了保证LDMOS模块的准确性，我们使用ADS生成一下PCB，可以看到如图4-27的效果，可以看到，与MRF8S26060的参考设计非常一致，只是四分之一波长走线未做转弯处理。

图4-27 LDMOS PCB图

至此，我们已经完成LDMOS的全部仿真工作，在后续的联合仿真中，直接调用本节中只做的模块即可。

4.3 功分器设计与仿真

在4.2节中，我们已经得知单颗LDMOS可以达到46.23dBm的射频输出功率，这距离我们的目标值50dBm还有些差距，因此考虑使用两颗LDMOS做功率合成，这就需要设计一个合适的功分器。

在MRF8S26060_Sim_prj工程下新建一份原理图，点击DesignGuide?Passive Circuit，如图4-28所示。

图4-28 使用DesignGuide中的Passive Circuit功能

在弹出的对话框中点击Component Palette – Microstrip图标，如图4-29所示。

图4-29 点击Component Palette – Microstrip图标

在更新的原理图设计窗口中点击Place Microstrip Wilkinson Divider按钮，将Wilkinson功分器符号添加至原理图中，如图4-30所示。添加完成后的原理图如图4-31所示。

图4-30 在原理图中添加Wilkinson功分器

图4-31 添加完成的Wilkinson功分器

这时双击Wilkinson功分器符号，更改其目标参数，如图4-32所示。

图4-32 更改Wilkinson功分器参数

这时我们还需要为原理图添加MSub模型，采用与4.2.6中所提到的模型一致即可。相信此时读者能体会到我把PCB板材的选择作为仿真最开始的内容进行讲述，因为所有的仿真都离不开PCB参数。添加MSub模型后的原理图如图4-33所示。

图4-33 添加MSub模型

这时回到Passive Circuit DesignGuide对话框中，点击Design Assistant标签，ADS就会自动为我们设计完成一款合格的功分器，在DA_WDCoupler1_untitled4上面点击Push Into Hierarchy之后，我们可以看到功分器的细节，如图4-34所示。

图4-34 功分器内部细节

而易见的是，这样的功分器尺寸太大，不方便在这个产品上使用。我们重新调整DA_WDCoupler1_untitled4的参数，如图4-35所示。

图4-35 调整Wilkinson功分器参数

再次点击Passive Circuit DesignGuide对话框中的Design Assistant标签，并在设计完成的功分器上点击Push Into Hierarchy之后，我们可以看到新的功分器内部结构，如图4-36所示。

图4-36 新的功分器内部结构

接下来对这个功分器进行S参数仿真，原理图如4-37所示。

图4-37 对功分器进行S参数仿真

仿真后的结果如图4-38所示，显然，这个功分器完全可以达到我们的要求。

图4-38 功分器仿真结果

最后，将这个功分器生成PCB Layout，我们可以看到如图4-39所示的结果。

图4-39 功分器生成PCB Layout

也许这个时候读者会有疑问，PCB设计使用的软件是Cadence Allegro，如何将这个功分器输入至Allegro呢？读者不必着急，在无线时代后续的章节中，后面会讲解到。

4.4 定向耦合器设计与仿真

经过4.3的详细讲解，我相信读者有能力自行完成定向耦合器的设计与仿真，两者的过程十分类似，因此不再赘述，这里只给出最终的仿真和设计结果。

图4-40 定向耦合器设计结果

图4-41 定向耦合器仿真结果

图4-42 定向耦合器PCB Layout

4.5 带通滤波器设计与仿真

与定向耦合器类似，本节只给出带通滤波器的仿真与设计结果。

图4-43 带通滤波器内部结构

图4-44 带通滤波器仿真结果

图4-45 带通滤波器PCB Layout