【摘要】本文介绍了史密斯圆图理论，并使用ADS仿真软件和RD15VHF1芯片完成了射频功率放大器的设计，主要应用在VHF波段数字音频广播系统上，同时给出实际电路以及测试结果。
【关键词】功率放大器；ADS；数字音频广播；RD15VHF1
1.引言
DAB（数字音频广播，Digital Audio Broad-casting）是传统的AM、FM模拟广播之后新一代数字广播系统，采用编码正交频分复用的方式，有很高的频带利用率，并具有抗噪声、抗干扰、适合高速移动接收等优点。射频功率放大器作为DAB发射系统的重要组成单元之一，性能的好坏会直接影响到整个系统的工作。
本文利用史密斯圆图理论和安捷伦公司的ADS仿真软件设计射频放大器，通过史密斯圆图工具，代替了复杂的复数计算，最后参考仿真结果对实际电路进行调整和测试，完成设计并给出了具体的电路和测试结果。
2.理论分析
在信号传输的过程中，当信号进入晶体管后，由于阻抗的不匹配，会产生反射电压，反射电压的大小常用反射系数来衡量，且存在关系：
（1）
其中，为特征阻抗，从上式可以清楚的看出阻抗和反射系数之间的关系，这个关系式是一个复数，较为复杂且很不实用，可以用史密斯圆图来替代关系式（1）。
2.1 史密斯圆图
史密斯圆图是解决传输线、阻抗匹配极为有用的工具，是在电压反射系数的极坐标轴上，根据归一化阻抗同反射系数的关系式（1），在极坐标轴上绘制的阻抗曲线。图1和图2分别表示的是归一化阻抗实部（电阻）和虚部（电抗）在反射系数极坐标下的曲线，刚好为圆心和直径不同并在横轴上一点相交的圆。
根据串联或者并联不同的元件在圆图上会有不同的运动轨迹的方法，史密斯圆图可以方便的将阻抗匹配到的需要的值上，而不需要复杂的复数计算。
图1 史密斯电阻圆图
图2 史密斯电抗圆图
2.2 射频放大器的增益
增益是射频放大器的重要指标之一，功放的增益可表示为：
（1）
其中表示不同网络处的电压反射系数（如图3所示），S21表示晶体管的增益，由公式推导可得，若，，即共轭相等时，放大器可以获得最大增益。反映在史密斯圆图上就是将这两对反射系数的坐标分别匹配在相同的电阻圆上和相反的电抗圆上，即以横轴为对称轴的对称点上。
图3 网络的反射系数
3.功率放大器设计
本设计主要应用为VHF波段175-200MHz DAB发射系统，使用三菱公司的MOSFET晶体管RD15HVF1作为放大芯片，该芯片主要应用为VHF/UHF波段射频功率放大器。电路主要由功放芯片、偏置电路和匹配电路组成。设计指标为VSWR<2.0，增益>10dB，最大输出功率>30dBm。
3.1 偏置电路设计
3.2 匹配电路设计
芯片数据手册给出的175MHZ时的输入阻抗：2.34-j8.01（ohm），和输出阻抗：3.06+ j0.74（ohm）。使用安捷伦公司ADS仿真软件中的史密斯工具设计匹配电路，得到匹配电路和史密斯圆图轨迹，如图4和图5所示。
图4 输入端的匹配电路和圆图
图5 输出端的匹配电路和圆图
图6 最终的设计电路
3.3 实际电路与测试结果
根据仿真结果，对实际电路进行反复调试，得到最终的实际电路如图6所示。
分别对的输入和输出端的电压驻波比进行测试，得到：
图7 输入端（150～250MHz）
图8 输出端（150～250MHz）
实际测试该功放系统在180～200MHz时的增益为+10～+13dBm，最大输出功率+35dBm，符合设计要求。
4.结束语
输入和输出匹配是射频功率放大器设计中重要的一步，利用史密斯圆图可以方便快捷的得到理想的匹配电路，但是因为电路板材，走线不同，元器件的误差以及分布参数等的因素影响，实际的电路需要我们经过反复的调整才能得到需要的结果，但是从最终电路以及测试结果可以看出仿真结果基本能够正确的指导设计，并且最终得到满足要求的性能指标。
参考文献
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作者简介：朱鹏伟（1988—），男，河南安阳人，重庆邮电大学硕士研究生，研究方向：电路与系统。