在现代无线通信系统中，信息传输正朝着多载波、大容量、高速度方向迅猛发展，通信系统对射频部件的各项性能提出了更高的要求。作为射频前端模块的重要部件,功率放大器对通信连接的性能起着关键性作用。根据日常工作总结，ADS仿真设计一款功率放大器的常规流程一般如下（仅涉及相关流程，不对所涉及的具体技术做过多阐述）。

大致的仿真设计流程如图所示

步骤1、电路结构规划

这一步主要是根据效率、输出功率、带宽、线性度、驻波比和散热等指标需求，结合技术需求与技术背景对整个射频功放的大致结构进行规划。单级推动、两级推动、Doherty、平衡放大器……指标侧重点不同，对于电路结构的考虑也会不同。

假设需要设计一个30-512MHz的功率放大器，输出峰值功率20W，线性度、增益平坦度、谐波抑制等方面的指标都有要求。482MHz的带宽跨越了5个倍频程，并且输出20W的大功率信号，采用两级功率放大器级联的方式可以满足设计目标。两级功率放大器均采用平衡式负反馈结构。射频信号从推动级功率放大器输入端进入，经过两级放大后，由末级功率放大器输出端输出，得到需要的大功率信号。平衡负反馈放大器结构如图所示，通过两个 180 度巴伦结构将两路功放的输入和输出相连。同时，采用负反馈结构以提高电路稳定性，改善增益平坦度。

步骤2、功放管的选取

根据先期规划好地电路结构，根据频率范围、增益、输出功率、漏极效率、工作电压、存储温度范围、工艺要求、封装结构选择合适的功放管。

步骤3、静态工作点的选择

由于功率放大管工作于高功率状态下，它工作在不同的静态工作点，其输入输出阻抗、输出功率以及线性度都会有所变化。因此首先要确定它的静态工作电流。根据功放管数据手册提供的资料以及静态工作点仿真得到响应结果，可以确定其最佳静态工作点的位置

步骤4、馈电电路的设计

馈电电路或者称偏置电路，主要作用是给晶体管供给直流电压，同时防止交流射频信号耦合到直流信号当中来。

对于微带电路来说，主要原理是利用四分之一波长的短截线对基波阻抗无限大的原理达到这一功能。

对于集总元件来说，则是利用电阻、电感、电容的不同特性进行设计

1）栅极馈电电路设计

栅极馈电电路的设计目的是起到滤波、扼流作用，馈电电路对功率增益、噪声系数和放大电路稳定性都有较大影响，是功率放大器设计中不可缺少的一部分。它要求引入的驻波对主线的影响要小，有一定的滤波作用，也要避免主线上的高频信号泄露。

电阻能够阻止高频信号耦合回栅极，有力地避免自激振荡，从而使原匹配网络的性能不受直流偏置电路的影响。同时馈电电路中需选用较大的电感，此时栅极馈电电路相对于信号为开路，可提高放大器增益及降低偏置电路中的功率损耗，考虑到现实中可能存在杂散，需要偏置网路具有一定的滤波能力。

2）漏极馈电电路

漏极馈电电路的主要作用是隔直和高频扼流，隔直电容与扼流电感的大小只需要根据实际情况进行考虑。

通常来说，扼流作用受到电感值的较大影响，但由于线圈内部分布电容的存在，圈数越多，分布电容也就越大，造成线圈的扼流效果降低。当电感增大到一定值时，低频压降变大，容易造成低频寄生震荡，对电路的可靠性与稳定性造成破坏。在实际应用中，需要并联多个不同数量级电容滤除电源中的干扰频率。

步骤5、稳定性设计

放大器稳定电路的设计具有至关重要的作用，如果出现功放管不稳定，可能产出自激震荡，造成功放管温度上升甚至击穿。通过ADS的仿真分析可知管子在频带范围内的稳定状况，进而决定是否需要对其进行稳定性设计。

通过在漏极与栅极加入负反馈网络来提高电路的稳定性，并且在栅极端加入电阻，进一步改善稳定性。稳定系数大于1，便可认为已达到稳定

需要注意的是，即使工作频带范围外的不稳定点也不能完全轻视，在外部寄生参数的影响下也可能引起电路的自激。所以仿真时就要确保能够在尽可能大的频带范围内保持稳定。

步骤6、匹配电路设计

在功率放大器设计中输入和输出匹配电路基于特定的匹配功能而遵循不同的设计原则。在实际仿真时，进行输入匹配电路设计时，要考虑功率放大器的稳定性、平坦度等因素。进行输出匹配电路设计时，则侧重于谐波抑制、降低损耗的需求。

利用ADS中的负载牵引（Load-Pull）功能，可以模拟及测量功放管的大信号特性，如输出功率、功率附加效率、增益以及三阶互调失真等特性。根据方案需求，兼顾各个指标，选取最佳负载阻抗值。输出端匹配完成后，将得到的最佳负载阻抗值接到功放管的输出端，利用ADS中的源牵引(Source-Pull)功能，获取最佳源阻抗值。

在实际设计中，为了更准确的匹配效果，在仿真功率放大器时往往需要结合Load-Pull 与Source-Pull进行反复仿真，最后将数值稳定后的阻抗作为晶体管的最佳源阻抗和负载阻抗。

在宽频带功率放大器的设计当中，一般端口的阻抗都为50Ω，因此在获得最佳阻抗值后，为了提高输出功率、增益、线性度及附加效率，减小放大器的驻波及噪声干扰，需要在负载阻抗与源间加入匹配网络。匹配电路可以使用电容、电感、电阻、变压器或微带线元件组成。

对于宽带匹配，实际设计时必须考虑到整个宽频带的阻抗匹配特性，全部使用微带线匹配势必造成部分频点的失配并且电路体积较大，所以采用多种元件配合传输线变压器的混合匹配方式。

用同轴电缆构成的巴伦进行宽带匹配时，对同轴电缆进行不同的绕法可以得到不同比值的阻抗变换。在实际的使用中，常用的传输线变压器有：4:1 阻抗变换、9:1 阻抗变换和平衡不平衡变换。改变同轴电缆的绕法和连接方式还可以得到其他特殊比值的阻抗变化器。

由于功率管的增益随频率的增加而降低，为了使增益平坦，需减小高频处的增益滚降，因此在匹配中选用高频处的阻抗点。将整个频带内的输出阻抗值匹配到50Ω附近。此时，不同频点的输出阻抗值不同，但是与（50+j*0）Ω偏离不宜过大。

匹配完成后，若某些频点处未能达到具体要求，需要对整个电路进行优化。通过仿真优化整个匹配结构，改善总体性能。

在进行阻抗匹配时，史密斯圆图上应先确定等 Q 圆，尤其是在做宽带匹配时。由于匹配电路 Q 值越小，可实现的工作带宽就越宽，但缺点是匹配枝节增加，造成电路复杂度和成本的上升。这在具体设计中需要折中考虑。

在进行阻抗匹配时，不仅要保证增益，驻波等指标满足要求，更应该对匹配结构作合适的调整，能构成低通或高通滤波器从而减少谐波对于功放的影响。实际匹配中一般很少用到电阻，因为它对信号有较大损耗的同时还会引入一定的噪声。优化过程中对于变量的初始值和变化范围需要合理设置，并且尽量选择现实中可以得到的器件值，通常需要经行多次优化，才能到达优化目标。

步骤7、整体电路仿真

得到各部分的电路原理图之后，将其转换为实际元器件模型。由于相比于理想电路，实际元器件模型包含了实际电路中的损耗因素、寄生参数等非理想因子，因此还需要进行进一步的微调，最终与晶体管模型一起形成功率放大器的最终原理图，开始整体仿真。为了得到准确的仿真结果，利用ADS的Momentum将版图和原理图联合进行仿真是一种比较合适的办法。

PS：

由于大功率功放仿真设计时受限于晶体管设计模型的准确度，很难保证完全与实际结果相符合，设计阶段最好留下备用的空间，方便调试时使用。