2017年第36卷第11期
传感器与微系统（Transducerand Microsystem Technologies）
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D0I:10.13873/J.10009787(2017)11009303
基于小信号S参数的MOSFET射频功率放大器设计
宁志强，刘太君，叶焱，许高明，陆云龙（宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波315211）
摘要：介绍了如何利用场效应管的小信号散射（S)参数设计射频功率放大器，并采用此设计方法，选用场效应管，设计了一种工作在160MHz频段的金属氧化物半导体场效应管（MOSFET)功率放大器。在工作频段内，功率放大器增益大于23dB，输入端口的匹配网络的回波损耗S优于-19dB。实例证明：该设
计方法仿真简单，易于实现，具有重要的工程应用价值。关键词：小信号；S参数；射频功率放大器；MOSFET
中图分类号：TN722.7
文献标识码：A
文章编号：1000-9787(2017)11-0093-03
Design of MOSFET RF power amplifier based on
small signal S-parameters
NING Zhi-qiang, LIU Tai-jun, YE Yan, XU Gao-ming, LU Yun-long
(Faculty of Engineering and Computer Science,Ningbo University,Ningbo 315211,China)
Abstract: In the actual design of radio frequency ( RF ) power amplifier, the device manufacturers often provide only small-signal scattering ( S)-parameters and static I-V curve of a metal oxide semiconductor field effect transistor( MOSFET) transistor. Introduce how to design an RF power amplifier with small signal S-parameters. A MOSFET power amplifier operated at 160 MHz is designed with this design method, where a FET transistor from Mitsubishi is selected. The gain of the power amplifier in the working frequency band is larger than 23 dB, and S, pe oes o adrs s poa ap e saeen adexa l p 6 o od od nd ar o easy to implement, which has great value in engineering application.
Key words: small signal; scattering ( S)-parameters; radio frequency (RF) power amplifer; metal oxide semiconductor field effect transistor( MOSFET)
0引言
射频功率放大器是各种无线发射机的关键单元电路1，是整个系统中功率损耗最大的部分，其功率输出能力直接影响信号的发射和传输距离。为了获得更高的输出功率[2.3]，大部分功耗放往往工作在大信号状态，即非线性状态+。理想情况下，设计者应该利用晶体管的大信号非线性模型进行设计，但很多时候，晶体管的非线性模型很难获得，器件厂商一般也只提供小信号散射（scattering，S）参数以及静态电流/电压(I-V)曲线。
本文介绍了一种在没有大信号非线性模型时，设计功率放大器的方法，即小信号S参数法。首先根据器件的静态I-V曲线确定大信号负载线阻抗R,，以此作为晶体管的漏极负载，以优化输出匹配电路，获得最大的射频输出功率，同时，也可以优化输人匹配电路，获得良好的驻波比和增益"。通常，为了输出最大射频功率，在设计时有意造
成一定失配，因此输出匹配性能比较差，回波损耗比较大，需要注意的是，输出匹配是对R，进行优化，而不是对晶体
管输出端口的回波损耗Sz进行优化。小信号S参数设计法
小信号S参数设计流程如图1所示。
从S象数
提据V典线
确定功放工作类型和偏置电路
得到最佳负载
提取封装参数
整体电路仿真和优化
设计输人匹配电路
优化：输出匹配到锁载
图1小信号S参数设计流程
首先，确定功放工作类型和偏置电路。在此基础上，利用负载线法确定晶体管的最佳输出阻抗R，：根据要求的输出功率和直流偏置电压，参考晶体管数据手册给出的静态 I-V特性曲线，计算出晶体管的输出负载线，从而确定最佳输出阻抗的实部。对于A类功放，其负载线法如图2 所示。根据负载线可以得到负载阻抗值R，
收稿日期：2017-09-26
*基金项目：国家自然科学基金资助项目（61571251,61501272）：浙江省公益技术应用研究项目（2015C34004）