一種新型射頻導(dǎo)熱治療儀的功率放大電路的仿真設(shè)計(jì)

作者 侯春光 楚巖 長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院(陜西 西安 710064)

侯春光(1990-)，男，碩士生，研究方向：控制工程;楚巖，女，教授，研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用、儀表儀器。

摘要：信息時(shí)代的到來極大地改變了人類社會(huì)的生產(chǎn)、生活、工作和學(xué)習(xí)方式。射頻功率放大器不僅在通訊系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，還逐漸被應(yīng)用于其他領(lǐng)域內(nèi)。本文為一種新型射頻導(dǎo)熱治療儀所設(shè)計(jì)的大功率射頻放大器電路，滿足工作于射頻低端。借助ADS仿真軟件采用負(fù)載牽引技術(shù)的設(shè)計(jì)方式，通過對(duì)整體效率、功率增益、功率容量等一系列的對(duì)比。得出最佳輸入、輸出阻抗，并進(jìn)行阻抗匹配電路的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上對(duì)整個(gè)功率放大電路進(jìn)行諧波平衡優(yōu)化仿真，顯示達(dá)到良好的設(shè)計(jì)效果。

引言

　　對(duì)于射頻功率放大器在醫(yī)療方面的應(yīng)用，由于歐美等發(fā)達(dá)國家在此技術(shù)領(lǐng)域展開了較早的關(guān)注和研究，其科研成果處于前沿地位^[1]。而該行業(yè)在國內(nèi)研究起步較晚，加上技術(shù)壁壘，大多還處于初步研究和實(shí)驗(yàn)階段。

　　本文所設(shè)計(jì)的新型射頻導(dǎo)熱治療主要硬件部分是一種大功率射頻放大器電路，旨在集成以往中小功率的該類產(chǎn)品，不僅可以大大減少器件的使用，節(jié)約成本，還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和空間、體積上的優(yōu)勢。其輸出端經(jīng)過功分器可直接與施加在患者身體部位的導(dǎo)熱針相連接，從而達(dá)到利用射頻電磁波作用于人體病變組織，消除肌體中無菌性炎癥，松解肌肉痙攣，增加局部供血，促進(jìn)組織修復(fù)和肌細(xì)胞再生，從而解除軟組織疼痛的醫(yī)療保健作用。相信不久的將來，此類技術(shù)成果會(huì)逐漸應(yīng)用到保健按摩、局部美容，甚至微創(chuàng)外科手術(shù)中去，并將開創(chuàng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新亮點(diǎn)。

1 功率放大電路性能指標(biāo)

　　工作頻率：540kHz左右;輸出功率:200~300W(輸入1W);功率增益：≥23dB;增益平坦度：≤4dB;工作溫度：-40℃～+65℃。其它參數(shù)沒有特殊要求，就按本領(lǐng)域設(shè)計(jì)的一般要求來設(shè)定。

　　設(shè)計(jì)要求540kHz的工作頻率屬于射頻領(lǐng)域內(nèi)的低頻率范圍，選擇器件時(shí)要考慮此頻率下的仿真特性與等效模型?？紤]到功率放大器輸出寄生電容要求在pF量級(jí)，輸出功率要求為54dBm，可選擇市面上統(tǒng)一封裝在一起的互補(bǔ)對(duì)管滿足大功率、高增益的需求，以及經(jīng)受住過流、耐壓，足夠的裕量值和良好的散熱設(shè)計(jì)。同時(shí)在提高效率、防止引入額外損耗、精簡體積、增加整體穩(wěn)定性上大有裨益。最終本設(shè)計(jì)功率放大器件選用Freescale公司(已被NXP公司收購)發(fā)售型號(hào)為MRF6VP5300N的LDMOS晶體管。它的器件模型和基本參數(shù)如圖1及表1所示^[2]。圖1中的“FSL_TECH_INCLUDE”是仿真時(shí)的控件，用于支持模型庫。模型下面的參數(shù)TNOM指環(huán)境溫度，TSNK、RTH、CTH分別是熱沉溫度、熱電阻系數(shù)、熱電容系數(shù)，無特殊要求一般選擇默認(rèn)值。

　　在AB類工作狀態(tài)下，參考工作頻率是1.8～600MHz，額定輸出功率54.8dBm，增益24.8dB。在VDD=50V，1MHz情況下，其漏極寄生輸出電容為lpF。以上指標(biāo)滿足我們的設(shè)計(jì)要求。其漏極最大工作電壓為65V，可以保證本論文設(shè)計(jì)的要求。通過晶體管直流特性分析，可以確定其柵極偏置電壓。設(shè)計(jì)目標(biāo)輸出功率在300W左右，為了便于匹配，我們統(tǒng)一選擇匹配電阻為50Ω。同時(shí)，考慮到其他引入的損耗，要適當(dāng)?shù)靥岣呗O電壓，預(yù)設(shè)晶體管漏極最高電壓理論上為53.4V，低于晶體管額定漏極電壓，保證晶體管的安全工作。

2 射頻功率放大電路的仿真設(shè)計(jì)

　　隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，目前很多公司推出的商業(yè)仿真輔助軟件經(jīng)過一代代的更新，諸多功能已經(jīng)做得很完善，諸如可直接調(diào)用負(fù)載牽引仿真工程，而不再讓使用者像以往那樣亦步亦趨，軟件自身集成Smith圓圖工具，可以直接在射頻功率電路中進(jìn)行阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用的Agilen ADS輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行射頻仿真。

2.1 直流工作點(diǎn)仿真

　　直流偏置仿真電路如圖2所示，該電路使用了ADS內(nèi)置的場效應(yīng)管的直流仿真模塊FET Curve Tracer，圖2中顯示了電路仿真常溫(25℃)下漏級(jí)電流隨柵源電壓VGS和漏源電壓VDS的變化情況。其中Motorola LDMOS管有三個(gè)參數(shù)：TSNK——Heat Sink Temp、RTH——Thermal Resistance coeff.、CTH——Thermal Capacitance，該電路均使用默認(rèn)值。仿真圖中縱坐標(biāo)IDS的單位是“A”，橫坐標(biāo)VDS的單位是“V”。圖2中的FET Curve Tracer是直流仿真模塊，右側(cè)的VGS、VDS的值分別是仿真時(shí)柵源電壓和漏源電壓的掃描范圍。圖2左側(cè)方框是指在m1標(biāo)志點(diǎn)處，即VDS為50 V，VGS為2.7V，工作電流IDS為170mA時(shí)消耗功率為8.833W。右側(cè)是不同靜態(tài)工作條件下的仿真曲線。

　　對(duì)于由于要求不同的靜態(tài)工作點(diǎn)，同一器件的信號(hào)特性是有差別的;工作頻率的不同，也導(dǎo)致表現(xiàn)出不同的器件特性。經(jīng)圖2仿真圖示表明，該工作狀態(tài)下的柵極電壓值為2.7V，進(jìn)而確定其靜態(tài)工作點(diǎn)(VDS為50V，VGS為2.7V)，工作電流IDS為170mA^[3]。

2.2 偏置電路與穩(wěn)定性的仿真分析

　　確定靜態(tài)工作點(diǎn)，為了使設(shè)計(jì)電路的工作電壓和電流滿足設(shè)計(jì)需要，則需要設(shè)計(jì)偏置網(wǎng)絡(luò)。所設(shè)計(jì)的偏置網(wǎng)絡(luò)要保證降低偏置對(duì)系統(tǒng)參數(shù)、阻抗匹配的不利影響。本設(shè)計(jì)采用雙電源為柵極和漏極提供所需電壓，雙電源供電既可以降低高頻噪聲的不利影響，還能確保更加方便的調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)。直流偏置電路的設(shè)計(jì)采用了特征阻抗很大、可形成開路的高頻電感和集總參數(shù)組成的旁路電容。電路圖和仿真結(jié)果圖3所示。仿真圖中縱坐標(biāo)StabFact的單位是“1”，橫坐標(biāo)freq的單位是“MHz”。圖3中的Term1和Term2分別是50Ω的源阻抗和負(fù)載阻抗端口，用于仿真分析。S-PARAMETES是S參數(shù)掃描仿真控件，圖3下面有掃描范圍和步長參數(shù);StabFact是測量穩(wěn)定因子的仿真控件。圖3中的仿真結(jié)果是頻率與穩(wěn)定因子組成的數(shù)軸以及m1標(biāo)志點(diǎn)處的值。

　　從圖3中的仿真結(jié)果可以看出，在添加偏置電路后，工作頻率下StabFact>1，既保證了功率放大器件在整個(gè)工作頻率內(nèi)可以穩(wěn)定地輸出功率。所以偏置電路滿足設(shè)計(jì)要求，可以進(jìn)行接下來的仿真設(shè)計(jì)。

2.3　負(fù)載牽引Load Pull仿真設(shè)計(jì)

　　如果我們可以使它的輸出端口匹配，則根據(jù)二端口微波網(wǎng)絡(luò)理論，根據(jù)其輸入端的反射系數(shù)可以直接導(dǎo)出輸入阻抗。而輸出端所接負(fù)載的共軛值為其輸出阻抗。正是基于這一原理^[4]，負(fù)載牽引設(shè)計(jì)方法(Load-pull)可以精確地測定最佳負(fù)載阻抗，并方便地找到最大輸出功率時(shí)的最佳負(fù)載阻抗，得出最佳的功率輸出和效率水平^[5]。

　　打開仿真軟件的負(fù)載牽引仿真例程圖。將管子更換成我們已經(jīng)選定的MRF6V5300N，替換原來默認(rèn)的器件模型，然后輸入功率Pavs改成20dBm，頻率RFfreq改成541kHz，漏電壓Vhigh改成50V，柵壓(偏置電壓)改成2.7，其它都保持不變，如圖4所示。

　　圖中P_1Tone是交流信號(hào)頻率變換分析中常用作源的組件，S1P_Eqn常作為負(fù)載組件。PARAM SWEEP是參數(shù)掃描控件，HARMONIC BALANCE是諧波平衡仿真控件，VAR用于參數(shù)設(shè)置，該仿真參數(shù)設(shè)置為541kHz的工作頻率，24dBm的輸入值，50V高端和3.2V低端供電電壓。

　　通過改變柵極電壓或者增大外部漏極電壓的方法進(jìn)一步優(yōu)化提高仿真值。合理的調(diào)整參數(shù)和電路布局，在局部加人優(yōu)化目標(biāo)GOAL控件^[6]，最終得到如圖5的仿真結(jié)果。

　　圖5左側(cè)是功率輸出和整體效率的仿真圖，右側(cè)是仿真參數(shù)的設(shè)置，包括功率輸出和整體效率的步長和顯示的仿真曲線條數(shù)，下側(cè)是m1、m2標(biāo)志點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的負(fù)載阻抗值。

　　這樣不僅輸出功率已經(jīng)超出300W的范疇，連同整個(gè)效率也達(dá)到40%以上。完全滿足要求。綜合考慮輸出功率和效率，從圖中可選擇5.937+J*4.630作為最佳負(fù)載阻抗，然后進(jìn)行阻抗網(wǎng)絡(luò)的匹配。

3 阻抗網(wǎng)絡(luò)匹配與整體優(yōu)化仿真

　　通過ADS自帶的施密特原圖工具，按照之前仿真得到的最佳負(fù)載阻抗，借助Smith圓圖進(jìn)行負(fù)載阻抗網(wǎng)絡(luò)的匹配，將匹配網(wǎng)絡(luò)電路連接到輸出端電路中后，進(jìn)行源負(fù)載牽引仿真，方法與上同。最終得到匹配后的輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)整體功率電路圖如圖6所示。

　　將匹配完整的電路圖進(jìn)行諧波平衡法仿真分析，調(diào)用工具欄中的仿工具，設(shè)置仿真參數(shù)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)膬?yōu)化得到如下仿真結(jié)果^[7]。仿真圖中縱坐標(biāo)PAE的單位是“1”，縱坐標(biāo)Pdel的單位是“dBm”，橫坐標(biāo)Pin的單位是“dBm”。

　　從仿真結(jié)果可以看出輸出功率已經(jīng)接近300W，同時(shí)整個(gè)功率放大電路系統(tǒng)的效率雖然略有下降，但也超過35%。綜合考慮輸出功率和效率，基本滿足設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)論

　　本章借助ADS的仿真平臺(tái)，通過LDMOS的器件仿真模型，按照確定直流工作點(diǎn)，設(shè)置偏置電路和穩(wěn)定性的討論，負(fù)載牽引技術(shù)確定并設(shè)計(jì)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)流程，搭建并完成射頻功率放大電路的設(shè)計(jì)，最后通過諧波平衡的仿真和優(yōu)化，最終得到滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的射頻功率放大器的系統(tǒng)電路。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]李建功,唐雄燕.智慧醫(yī)療應(yīng)用技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢[J].中興通訊技術(shù),2012,18(2):1-7.

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

　　[3]曹雄斐,楊維明,張瑞,等.基于ADS的LDMOS功率放大器設(shè)計(jì)與仿真[J].湖北大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版),2014,36(4):317-322.

　　[4]應(yīng)子罡,呂昕,高本慶,等.GaAsFET大信號(hào)等效電路參數(shù)提取[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展, 2005, 25 (4):464-468.

　　[5]高金輝,蘇明坤,李迎迎.基于ADS仿真的射頻功放設(shè)計(jì)[J].河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然版) 2011,39(6):48-50.

　　[6]郭瀟菲,劉鳳蓮,王傳敏.微波功率放大器晶體管匹配電路設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào),2009,25(5):67—69.

　　[7]徐興福.ADS2008射頻電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)例[M].第2版.北京:電子工業(yè)出版社,2013:190-224.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第11期第60頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。