直接开工。ADS2011这个版本虽然老但在很多公司产线上依然是主力工具尤其是LDMOS功放设计这块稳定性和设计流程都已经磨合得很成熟。这篇文章以900MHz频段、28V漏压、输出40W也就是46dBm的LDMOS功放为例从选管子、搭工程、直流偏置、稳定性设计、负载牵引、匹配网络、谐波平衡仿真到最后的版图与EM联合仿真完整走一遍设计流程。篇幅不短但每一步都是实际动手会遇到的建议收藏后对照操作。1. LDMOS选型的几个硬指标别只顾着看功率1.1 40W这个功率点LDMOS为什么还是首选现在GaN器件很火但40W这个量级LDMOS依然是很多射频工程师的第一选择。原因很直接便宜、成熟、皮实。GaN在40W这个功率点上的优势主要是带宽和效率但代价是成本高、栅极驱动要求更苛刻、散热设计容错更差。LDMOS在900MHz这种频率下增益能做到18dB以上效率也能到60%以上完全够用。更关键的是LDMOS的匹配阻抗范围比GaN友好得多栅极耐压容差也大对于新手或者产品迭代快的项目来说调试周期能缩短不少。我做项目时首选LDMOS还有一个原因供应商的模型质量普遍很高。NXP现在拆分给Ampleon了、Freescale并入NXP之前这些厂商在ADS里提供的LDMOS模型直流、小信号、大信号行为都拟合得很细。这对于ADS2011这种老版本工具来说尤其重要——老工具对新器件模型的支持往往不太及时但LDMOS这类成熟器件的模型兼容性反而比GaN好。1.2 选型时盯紧的关键参数选管子的时候不能只看输出功率有几个参数必须同时过一遍工作电压LDMOS常见28V和50V两种电压等级。28V器件适合做12V到28V供电系统50V器件多用于基站、广播这类高压供电场景。我做的是28V设计这个电压下40W器件的性价比最高。增益曲线要关注目标频段内的小信号增益和平坦度。增益低了需要前级推动功率就大整个链路成本跟着涨增益太高自激风险也大。90MHz到900MHz这个范围LDMOS的增益通常在15dB到20dB之间选择时看看140W饱和输出下是否有足够的增益压缩空间。热阻这是很多人忽略的。热阻直接决定了你能给管子加多大功耗而不烧毁。热阻单位是°C/WLDMOS 40W级别的器件热阻一般在1.0到2.5°C/W之间。结合你最终散热方案的散热能力反推最大允许耗散功率这一步要在选型阶段就做完不能用“先干再说”的态度。封装与PCB兼容性LDMOS常见有TO-220、TO-247、SOT-467、DFN等封装。封装不同焊接方式、热沉设计、引脚寄生参数都不同。SOT-467这类贴片封装适合自动化生产但接地散热焊盘需要PCB上做大量过孔阵列散热TO-247适合手工焊接和调试但寄生感抗较大高频性能受影响。模型可用性这点我必须强调。有些小众厂牌管子参数好但模型粗糙甚至没有模型进了ADS只有一堆冷冰冰的S参数文件做大信号仿真就抓瞎了。供应商能否提供特定版本的ADS模型如design kit或.lib文件需要提前确认不然选完型才发现仿真做不了就只能拿实物在矢网上一脚一脚扫匹配了非常痛苦。2. 搭建ADS2011工程与晶体管模型导入先把这个基础打牢2.1 新建工程的单位与基板设置ADS2011建工程有一个容易被忽视的步骤单位设置。新建工程时注意在Units里把频率设为MHz长度单位设为mil或mm阻抗设成50Ω。后面所有微带线计算、版图DEM仿真都会继承这个单位体系。如果一开始单位混乱后面LineCalc计算微带线宽时很容易出现数量级错误而这恰恰是新手最容易踩的坑。接下来是基板Substrate设置。在原理图里放置一个MSub元件填好介质厚度、介电常数、损耗正切、金属层电导率、表面粗糙度。以RO4350B板材为例介电常数3.66介质厚度0.508mm20mil损耗正切0.0037铜厚35μm1oz。这些参数会在后续微带线计算和Momentum仿真中被反复调用。如果基板参数错误匹配网络计算得再华丽也是纸上谈兵实物频率会严重偏移。2.2 LDMOS大信号模型的导入方式ADS2011本身不带LDMOS模型库模型要从器件厂商找。以Ampleon/NXP的MRFE6S9045N为例在官网能找到ADS用的设计套件Design Kit或者单个器件模型文件。导入流程在ADS菜单栏点DesignKit - Manage Design Kits。选择下载好的DK文件包安装到当前工程目录。安装完成后器件会出现在Library列表中图纸上调取即可。如果厂商只提供了Spice模型也有办法。ADS2011支持通过Symbol - Import Spice Model的方式导入但要注意Spice模型导入后在谐波平衡HB仿真中的收敛性可能会差一些建议先跑一个简单的DC仿真验证模型能正常work再做大信号仿真。模型导入成功后从元件库调出LDMOS器件可以看到它带完整的寄生参数网络包括栅极内建电阻、栅漏电容、封装引线电感等。用一个Bias T结构的测试电路就可以开始做直流仿真了。2.3 LineCalc的提前配置要做微带线匹配ADS2011里必须把LineCalc工具用熟。LineCalc是一个独立的微带线计算窗口原理图界面点Tools - LineCalc - Start LineCalc就能打开。在LineCalc里选择之前配置好的MSub填入目标阻抗和电长度它能算出对应的微带线宽度和物理长度。比如在RO4350B、20mil厚度条件下50Ω微带线的宽度大约1.08mm而90°电长度在900MHz约等于50mm左右。这里有个经验在设计初期就在LineCalc里先把各类特征阻抗对应的线宽记下来比如50Ω、75Ω、100Ω各是多少宽。后面画匹配网络时直接用这些线宽组合能大幅度减少迭代次数。3. 直流仿真定静态工作点AB类偏置要“先偏置后匹配”3.1 DC扫描操作与AB类工作点选取LDMOS功放通常工作在AB类兼顾效率和线性度。对40W级别的LDMOS静态电流Idq一般选在500mA到1A之间——具体看管子的数据手册推荐值。在ADS2011原理图中搭建DC仿真漏极加28V电压源V_Drain。栅极加一个电压源先设成2V通过变量扫描从2V扫到5V。放置DC仿真控制器扫描变量设为Vgs范围2V到5V步进0.1V。在漏极串一个电流表用DC_Block加DC_Feed替代也行但不如直接看I_Probe直观读取静态漏极电流。扫描曲线出来后找到Idq700mA对应的Vgs值。这个Vgs通常落在3V到4.5V之间具体看器件阈值电压。3.2 我遇到的一个偏置点陷阱实际做的时候遇到过一个问题按数据手册推荐的Idq设置偏置后实测增益比仿真低了2dB。排查了很久最后发现是静态工作点落在线性区边缘稍微有一点温度漂移就导致静态电流跌了一半放大器直接从AB类滑向B类增益和线性度一起崩。解决方法是把Idq适当调高10%到15%同时给栅极偏置电路加一个简单的负温度系数补偿串一个合适阻值的NTC热敏电阻到地。这样温度升高时NTC阻值下降分流掉部分栅极电流确保静态电流基本稳定。这算是LDMOS功放设计里非常实用的经验。新人往往盯着仿真图看忽略温度对偏置点的实际影响等实物到手里才发现问题。3.3 从功耗反推散热需求以Vds28V、Idq0.7A计算静态功耗就在19.6W。在满功率输出时漏极效率按60%算输出40W需要输入直流功率接近67W管子上要耗散的功率大约是27W。再加上输入驱动功率总耗散在30W上下。对应热阻如果为2°C/W壳温比散热器基板高60°C。散热器如果环境温度是50°C结温已经到了110°C以上。虽然LDMOS的结温极限通常在200°C但长期工作温度超过150°C寿命和可靠性会急剧下降。这个计算必须在设计初期完成因为PCB上过孔阵列的数量、导热垫的面积、散热器的选型都依赖这个数。我见过有工程师把所有电性能优化完了最后发现散热器根本塞不进机箱被迫重新布局项目延误两周。4. 偏置馈电与稳定性设计功放翻车的头号原因4.1 偏置馈电方式怎么选LDMOS功放的偏置馈电高频下一般不用普通电感因为电感在宽频带内的自谐振频率很难控制。常用方案是1/4波长微带线馈电。1/4波长微带线的核心逻辑是阻抗变换对射频信号呈现高阻抗近似开路对直流呈现低阻抗近似短路所以可以用它把直流电压送到晶体管偏置端同时不影响射频信号的匹配。在ADS2011中实现在LineCalc里计算900MHz下的1/4波长长度微带线介电常数3.66时大约46mm。在漏极偏置点放置这一段微带线末端接一个RF去耦电容比如100pF到地。栅极偏置同法处理。这里有一个细节1/4波长微带线只在一个频点严格呈现高阻抗。如果要求带宽较大需要在偏置线末端加一个四分之一波长的短路分支或者并联一组多级扇形短截线把宽带内的射频泄漏压低。4.2 稳定性判据与稳定网络的搭建ADS2011里做稳定性分析很方便。在原理图中加一个S参数仿真控制器扫频范围从1MHz到4GHz仿真完成后直接调出稳定性系数K和B1因子。判据很明确全频段内K 1且B1 0系统无条件稳定。LDMOS器件在低频段往往不稳定因为低频率下增益高、反馈电容Cgd的效果更明显。通常的处理手段栅极偏置输入端串联一个10Ω到100Ω的电阻这个电阻能把低频增益压低但对高频影响相对较小。在漏极偏置端并联一个RC串联网络比如10Ω 100pF到地也能有效抑制低频振荡。如果仿出来仍然在低频某个点上K 1需要在输入匹配网络里专门加一个低频陷波分支串联LC串联谐振到地谐振频率低于工作频段。4.3 稳定网络与增益的取舍稳定性网络会吃掉一部分增益。栅极串联100Ω电阻大约能压低3到4dB增益代价不小。为了让最终增益达标我曾经把稳定电阻从100Ω降到30Ω再配合RC网络结果稳定性和增益达成了平衡。这事没有固定答案只能靠仿真和实测迭代。建议在ADS2011里用参数扫描的方式把稳定电阻阻值从10Ω到100Ω一次性扫描观察K因子曲线、增益和输出功率的变化选一个折中值。还有一点不要只做“小信号稳定性”就完事。大信号下晶体管的工作点会移动稳定性可能变化。经验做法是在做完谐波平衡仿真后用HB仿真控制器里的“Large-Signal S-parameter”或者“Stability”选项再看一眼大信号稳定性。在ADS2011里HB仿真控制器的“Nonlinear Noise”或“OscTest”功能也可以辅助判断潜在的振荡点。5. 负载牵引确定目标阻抗匹配网络才有依据5.1 为什么要做负载牵引匹配网络不是凭空设计的。输出匹配的目标是把50Ω负载变换到晶体管的最佳负载阻抗Zopt而这个Zopt不是厂家数据手册上随便给的必须通过负载牵引Load-Pull仿真来确定。不同输出功率等级、不同偏置条件下Zopt都不一样。对40W LDMOS在900MHz、28V、AB类偏置下最佳负载阻抗大致在几个欧姆到十几欧姆的范围并且带有明显的感抗或容抗分量。在ADS2011里做Load-Pull搭好带偏置的晶体管原理图。在输出端接入Load-Pull控制器在“Simulation-DesignGuide- RF”菜单里。设置输入功率Pin30dBm1W左右这个值要接近器件的1dB压缩点输入功率。设置负载阻抗扫描范围比如实部从1Ω到20Ω虚部从-10Ω到10Ω。设定谐波数建议3个跑仿真。仿真完成后ADS会画出等输出功率圆和等效率圆。选取功率圆和效率圆的折中点读出一个负载阻抗这就是后续输出匹配网络的目标值。5.2 源牵引与输入匹配输入匹配的目标阻抗是通过源牵引Source-Pull确定的。方法和负载牵引类似只不过把发射端源作为扫描对象观察什么源阻抗下增益最高、回波损耗最小。这里有个注意事项源牵引得到的最佳源阻抗通常不等于输入匹配网络的共轭匹配。因为大信号下晶体管的输入阻抗会随功率变化源牵引结果比较接近“真实工作条件下的最佳源阻抗”。5.3 史密斯圆图工具把匹配网络算出来有了Zopt剩下就是在史密斯圆图上把匹配网络画出来。ADS2011自带的Smith Chart工具非常好用这里以输出匹配为例打开工具Tools - Smith Chart。初始点设为50Ω负载端。目标点设为Zopt例如约3.5 j4.5Ω。选择拓扑一般用“串联微带线 并联电容或并联开路短截线”就能实现。工具会给出串联微带线的阻抗和电长度以及并联元件的值。在史密斯圆图上你会看到从50Ω到3.5 j4.5Ω需要先串一段高阻抗微带线比如75Ω到100Ω把阻抗实部拉低、虚部做一个初步转换再并联一个电容或开路短截线调整虚部。把工具算出的微带线参数拿到LineCalc里换成具体的物理宽度和长度。注意工具算的是理想传输线LineCalc计算的是实际微带线两者会有细微误差最终以Momentum仿真为准。6. 谐波平衡仿真验真章功率、增益、效率一把抓6.1 HB仿真怎么搭匹配网络初步设计好后把整个原理图——包括偏置网络、稳定网络、输入匹配、输出匹配——全部连起来然后开始谐波平衡Harmonic Balance仿真。在ADS2011里放置HB仿真控制器设置频率范围、扫描变量Pin和谐波数。典型设置频率920MHz谐波数3需看三阶互调和效率Pin从20dBm扫到33dBm。在输出端加一个Pout的测量公式用dBm输出功率。在输入和输出各放一个功率表P_Probe在后面方程里算增益和PAE。仿真跑完后直接把输出功率、增益、PAE、IMD3等曲线拖到数据显示窗口。6.2 仿真结果怎么看、怎么调合格的40W LDMOS功放仿真结果通常应该是这样的在Pin30dBm时输出功率Pout约45到46dBm。增益大于15dB。漏极效率大于55%PAE大于50%。输入回波损耗小于-10dB。IMD3在回退6dB时优于-30dBc。如果Pout不够优先检查负载牵引阻抗是否取准因为输出匹配不准最直接影响功率和效率。如果增益偏低优先检查偏置点是不是掉到了B类区域以及稳定电阻是不是吃掉了太多增益。如果回波损耗差调整输入匹配网络做一下微调。HB仿真收敛性差也是常见问题。遇到不收敛时不要急着加大迭代次数先检查一下激励功率是否从很小的值逐步往上扫以及是否给模型提供了合理的初值。在ADS2011里把扫描步进调小、初始功率调低收敛问题大多能解决。6.3 大信号稳定性复验做完HB仿真后回到大信号稳定性分析。在ADS2011的HB仿真控制器里可以输出“OscTest”结果或者用大信号S参数方式观察K因子。我实际遇到过的情况是小信号K因子全频段大于1但大信号HB仿真到某个输入功率时K因子突然掉到0.8以下。查下来是输出匹配网络里的某个频率分量和偏置网络的寄生引线电感形成了负阻回路。处理办法是在偏置网络的1/4波长微带线末端多加了一级RC去耦解决后K因子在全功率范围内都保持在1.5以上。7. 版图设计与EM联合仿真原理图仿真过了只完成一半7.1 ADS2011版图环境的基本操作原理图仿真通过后就进入版图Layout阶段。在ADS2011中可以把原理图直接生成版图也可以自己手动画。建议的流程是先根据原理图里的微带线尺寸在版图里手动布置物理版图因为微带线拐角、T型结、过孔、偏置线走向这些原理图根本体现不出来只能靠版图里手动调整。版图环境里要先设置好层叠结构把之前MSub里的板材参数映射到版图的各层上导体层、介质层、接地层。7.2 微带线拐角、T型结和过孔的处理版图上几个细节必须处理到位拐角微带线90°拐角会引入寄生电容和阻抗不连续。推荐用45°切角或圆弧拐角。在ADS2011版图里画微带线时可以用“Mitered Bend”元件直接生成带切角的拐角结构。T型结匹配网络里经常要分支出短截线T型结的寄生效应在高频下不能忽略。ADS版图里有专门的T型结模型Tee可以设置不同的线宽组合尽量减小不连续性。接地过孔LDMOS功放的源极需要低感接地。版图上必须在管子源极焊盘周围打满过孔阵列过孔间距建议不超过最高工作频率波长的二十分之一。对900MHz来说过孔间距在2到3毫米以内都算安全。但过孔数量直接关系到接地感抗建议至少在源极焊盘周围打上两排过孔交错排列间距1mm左右。漏极散热焊盘LDMOS器件底部通常有一个大的散热焊盘这个焊盘不仅走热还走地。版图上要在对应位置开一个大的接地焊盘区域上面均匀排布过孔阵列把热量导到背面散热铜皮。7.3 Momentum电磁仿真验证版图画完后必须在ADS2011里用Momentum做一次电磁场仿真验证实际版图的阻抗匹配是否符合原理图仿真预期。Momentum仿真的步骤在版图窗口里选择需要仿真的金属层区域设为仿真区域。在端口处添加Internal Ports内部端口一般把输入端设为端口1输出端设为端口2。设置频率范围一般从工作频率的低端比如100MHz扫到3倍工作频率2.7GHz确保覆盖谐波范围。运行Momentum仿真得到S参数。EM仿真结果出来以后和原理图的S参数对比。如果发现谐振点偏移通常是微带线的有效介电常数和之前理论值有差异需要通过调整微带线长度来修正。我把这个过程叫“EM校准”。接着把这个EM仿真的S参数模型替换回原理图里重新跑HB仿真。这是联合仿真可以看到版图寄生效应下真实的输出功率、增益和效率。7.4 实测与仿真对不上的常见原因根据我的经验版图完成后的联合仿真如果和原理图仿真差异超过5%通常来自以下几个方面接地不完整源极接地过孔太少接地感抗过大导致增益下降和稳定性恶化。耦合效应输入和输出微带线平行距离太近产生了意外的耦合导致隔离度变差。偏置线的射频泄漏1/4波长偏置线的去耦不充分有射频能量泄漏到直流电源引起效率下降。板材参数偏差实际板材的介电常数和标称值有偏差频率越高偏差效应越明显。这些偏差基本都只能通过EM仿真提前暴露。所以我不建议直接跳过Momentum仿真就发板大概率要返回改版一次。注意直接跳EM仿真做板做好后实测发现不匹配再改版一来一回至少两周时间成本还烧元器件。8. 制板前必须完成的最后检查和走线布局建议在最终出图之前建议你再做一遍以下检查DRC检查确认最小线宽、最小间距、过孔尺寸符合板厂的工艺能力。散热检查回头算一遍热阻确认当前过孔阵列数量和散热铜皮面积足够。如果都是0.3mm的过孔40W级别的功放版面上至少需要20到30个过孔做散热。直流与射频隔离检查偏置线的走向是否远离输入输出射频走线避免形成意外的反馈回路。电源滤波在偏置馈电线上靠近管子端放置0.1μF和100pF的并联去耦电容位置尽量贴近焊盘否则滤波效果大打折扣。我也习惯在版图上留几个关键的测试点输入和输出各留一个SMA连接器位置栅极偏置和漏极偏置各留一个测试焊盘。这样调试时可以直接在测试点上测波形或接频谱仪不用每次都焊线。还有一点关于走线布局的建议输入输出微带线尽量走直线如果必须拐弯用45°拐角不要用90°直角。输入和输出之间要保持足够距离至少3倍微带线宽度以上避免空间耦合。电源走线要尽量宽至少2mm以上防止大电流下产生压降。做过几轮40W LDMOS功放设计之后我的体会是原理图仿真阶段决定了性能上限但版图和EM仿真阶段决定了能不能把这个上限兑现出来。ADS2011虽然老但它的Momentum和HB仿真配合LDMOS模型依然是当前工程实践里很可靠的一套组合。如果你正准备用这个流程做自己的第一款40W功放建议把所有仿真报告截图和数据保存好一张板子做好以后回头再看这些数据会对功放设计有更深的理解。