一種新型射頻導熱治療儀的功率放大電路的仿真設計

作者 侯春光 楚巖 長(cháng)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)應用、儀表儀器。

摘要：信息時(shí)代的到來(lái)極大地改變了人類(lèi)社會(huì )的生產(chǎn)、生活、工作和學(xué)習方式。射頻功率放大器不僅在通訊系統中得到廣泛應用，還逐漸被應用于其他領(lǐng)域內。本文為一種新型射頻導熱治療儀所設計的大功率射頻放大器電路，滿(mǎn)足工作于射頻低端。借助ADS仿真軟件采用負載牽引技術(shù)的設計方式，通過(guò)對整體效率、功率增益、功率容量等一系列的對比。得出最佳輸入、輸出阻抗，并進(jìn)行阻抗匹配電路的設計。在此基礎上對整個(gè)功率放大電路進(jìn)行諧波平衡優(yōu)化仿真，顯示達到良好的設計效果。

引言

　　對于射頻功率放大器在醫療方面的應用，由于歐美等發(fā)達國家在此技術(shù)領(lǐng)域展開(kāi)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)驗階段。

　　本文所設計的新型射頻導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(lèi)產(chǎn)品，不僅可以大大減少器件的使用，節約成本，還提高了系統的穩定性和空間、體積上的優(yōu)勢。其輸出端經(jīng)過(guò)功分器可直接與施加在患者身體部位的導熱針相連接，從而達到利用射頻電磁波作用于人體病變組織，消除肌體中無(wú)菌性炎癥，松解肌肉痙攣，增加局部供血，促進(jìn)組織修復和肌細胞再生，從而解除軟組織疼痛的醫療保健作用。相信不久的將來(lái)，此類(lèi)技術(shù)成果會(huì )逐漸應用到保健按摩、局部美容，甚至微創(chuàng )外科手術(shù)中去，并將開(kāi)創(chuàng )醫學(xué)領(lǐng)域的新亮點(diǎn)。

1 功率放大電路性能指標

　　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℃。其它參數沒(méi)有特殊要求，就按本領(lǐng)域設計的一般要求來(lái)設定。

　　設計要求540kHz的工作頻率屬于射頻領(lǐng)域內的低頻率范圍，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，輸出功率要求為54dBm，可選擇市面上統一封裝在一起的互補對管滿(mǎn)足大功率、高增益的需求，以及經(jīng)受住過(guò)流、耐壓，足夠的裕量值和良好的散熱設計。同時(shí)在提高效率、防止引入額外損耗、精簡(jiǎn)體積、增加整體穩定性上大有裨益。最終本設計功率放大器件選用Freescale公司(已被NXP公司收購)發(fā)售型號為MRF6VP5300N的LDMOS晶體管。它的器件模型和基本參數如圖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TNOM指環(huán)境溫度，TSNK、RTH、CTH分別是熱沉溫度、熱電阻系數、熱電容系數，無(wú)特殊要求一般選擇默認值。

　　在A(yíng)B類(lèi)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。以上指標滿(mǎn)足我們的設計要求。其漏極最大工作電壓為65V，可以保證本論文設計的要求。通過(guò)晶體管直流特性分析，可以確定其柵極偏置電壓。設計目標輸出功率在300W左右，為了便于匹配，我們統一選擇匹配電阻為50Ω。同時(shí)，考慮到其他引入的損耗，要適當地提高漏極電壓，預設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計

　　隨著(zhù)計算機仿真技術(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(guò)一代代的更新，諸多功能已經(jīng)做得很完善，諸如可直接調用負載牽引仿真工程，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 )的設計。本設計采用的Agilen ADS輔助設計軟件進(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內置的場(chǎng)效應管的直流仿真模塊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：TSNK——Heat Sink Temp、RTH——Thermal Resistance coeff.、CTH——Thermal Capacitance，該電路均使用默認值。仿真圖中縱坐標IDS的單位是“A”，橫坐標VDS的單位是“V”。圖2中的FET Curve Tracer是直流仿真模塊，右側的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左側方框是指在m1標志點(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。右側是不同靜態(tài)工作條件下的仿真曲線(xiàn)。

　　對于由于要求不同的靜態(tài)工作點(diǎn)，同一器件的信號特性是有差別的;工作頻率的不同，也導致表現出不同的器件特性。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 偏置電路與穩定性的仿真分析

　　確定靜態(tài)工作點(diǎn)，為了使設計電路的工作電壓和電流滿(mǎn)足設計需要，則需要設計偏置網(wǎng)絡(luò )。所設計的偏置網(wǎng)絡(luò )要保證降低偏置對系統參數、阻抗匹配的不利影響。本設計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整靜態(tài)工作點(diǎn)。直流偏置電路的設計采用了特征阻抗很大、可形成開(kāi)路的高頻電感和集總參數組成的旁路電容。電路圖和仿真結果圖3所示。仿真圖中縱坐標StabFact的單位是“1”，橫坐標freq的單位是“MHz”。圖3中的Term1和Term2分別是50Ω的源阻抗和負載阻抗端口，用于仿真分析。S-PARAMETES是S參數掃描仿真控件，圖3下面有掃描范圍和步長(cháng)參數;StabFact是測量穩定因子的仿真控件。圖3中的仿真結果是頻率與穩定因子組成的數軸以及m1標志點(diǎn)處的值。

　　從圖3中的仿真結果可以看出，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)工作頻率內可以穩定地輸出功率。所以偏置電路滿(mǎn)足設計要求，可以進(jìn)行接下來(lái)的仿真設計。

2.3　負載牽引Load Pull仿真設計

　　如果我們可以使它的輸出端口匹配，則根據二端口微波網(wǎng)絡(luò )理論，根據其輸入端的反射系數可以直接導出輸入阻抗。而輸出端所接負載的共軛值為其輸出阻抗。正是基于這一原理^[4]，負載牽引設計方法(Load-pull)可以精確地測定最佳負載阻抗，并方便地找到最大輸出功率時(shí)的最佳負載阻抗，得出最佳的功率輸出和效率水平^[5]。

　　打開(kāi)仿真軟件的負載牽引仿真例程圖。將管子更換成我們已經(jīng)選定的MRF6V5300N，替換原來(lái)默認的器件模型，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是交流信號頻率變換分析中常用作源的組件，S1P_Eqn常作為負載組件。PARAM SWEEP是參數掃描控件，HARMONIC BALANCE是諧波平衡仿真控件，VAR用于參數設置，該仿真參數設置為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(guò)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。合理的調整參數和電路布局，在局部加人優(yōu)化目標GOAL控件^[6]，最終得到如圖5的仿真結果。

　　圖5左側是功率輸出和整體效率的仿真圖，右側是仿真參數的設置，包括功率輸出和整體效率的步長(cháng)和顯示的仿真曲線(xiàn)條數，下側是m1、m2標志點(diǎn)處對應的負載阻抗值。

　　這樣不僅輸出功率已經(jīng)超出300W的范疇，連同整個(gè)效率也達到40%以上。完全滿(mǎn)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(guò)ADS自帶的施密特原圖工具，按照之前仿真得到的最佳負載阻抗，借助Smith圓圖進(jìn)行負載阻抗網(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，調用工具欄中的仿工具，設置仿真參數，經(jīng)過(guò)適當的優(yōu)化得到如下仿真結果^[7]。仿真圖中縱坐標PAE的單位是“1”，縱坐標Pdel的單位是“dBm”，橫坐標Pin的單位是“dBm”。

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

4 結論

　　本章借助ADS的仿真平臺，通過(guò)LDMOS的器件仿真模型，按照確定直流工作點(diǎn)，設置偏置電路和穩定性的討論，負載牽引技術(shù)確定并設計阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )的設計流程，搭建并完成射頻功率放大電路的設計，最后通過(guò)諧波平衡的仿真和優(yōu)化，最終得到滿(mǎn)足設計指標要求的射頻功率放大器的系統電路。

　　參考文獻：

　　[1]李建功,唐雄燕.智慧醫療應用技術(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A(yíng)DS的LDMOS功率放大器設計與仿真[J].湖北大學(xué)學(xué)報(自科版),2014,36(4):317-322.

　　[4]應子罡,呂昕,高本慶,等.GaAsFET大信號等效電路參數提取[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A(yíng)DS仿真的射頻功放設計[J].河南師范大學(xué)學(xué)報(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計[J].微波學(xué)報,2009,25(5):67—69.

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

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