告别低效！用ADS仿真带你一步步搭建一个两路对称Doherty功放（含设计要点）-编程阁

告别低效！用ADS仿真带你一步步搭建一个两路对称Doherty功放（含设计要点）

在射频功率放大器设计中，效率与线性度的平衡一直是工程师面临的重大挑战。随着通信系统对能效要求的不断提高，传统AB类功放已难以满足现代高PAR（峰均比）信号的放大需求。而Doherty架构凭借其独特的负载调制特性，成为5G基站、广播发射等场景下的首选方案。本文将基于Keysight ADS仿真平台，完整呈现两路对称Doherty功放的设计流程，重点解析阻抗变换、偏置优化等核心环节的工程实现技巧。

1. Doherty架构核心原理与设计指标

1.1 负载调制机制解析

Doherty功放的灵魂在于有源负载牵引技术。当系统工作在回退功率区时（通常为峰值功率的6dB回退点），通过Peak支路的关断使Carrier支路负载阻抗倍增，从而实现效率提升。这一过程涉及三个关键物理现象：

阻抗逆变特性：1/4波长传输线将合路点的高阻抗转换为功放管端的低阻抗
电流叠加原理：两路功放的输出电流在合路点矢量叠加
饱和效率保持：Carrier支路在回退点时仍维持电压饱和状态

典型两路对称Doherty的效率曲线呈现双峰特性，其理论效率值可表示为：

η = 78.5% @ Pout=Pmax (两路均饱和) η = 78.5% @ Pout=Pmax/4 (6dB回退点)

1.2 关键设计参数定义

参数	典型值	影响因素	优化方向
回退点	6dB	信号PAR特性	根据调制方式调整
阻抗变换比	2:1	功放管Ropt	匹配网络设计
相位补偿	90°	传输线长度	时延校准
偏置电压	Class B/C	效率/线性度权衡	动态偏置优化

注意：实际设计中需通过Load-Pull仿真确定功放管的最佳负载阻抗（Ropt），这是整个架构的基准参数。

2. ADS仿真环境搭建与器件选型

2.1 工程文件配置

新建ADS工程时建议采用以下目录结构：

Doherty_PA/ ├── schematics/ │ ├── main_amp.dsn │ ├── peak_amp.dsn │ └── combiner.dsn ├── data/ │ ├── loadpull/ │ └── s_parameters/ └── em/ └── layout.ads

关键仿真控件配置：

HB1Tone[1]( Freq[1]=3.5GHz, Order[1]=7, Oversample[1]=4)

2.2 功放管模型选择

推荐使用非线性行为模型进行初始设计：

Cree CGH40010F（10W GaN HEMT）
NXP MRF8P20160W（LDMOS）
Wolfspeed CG2H40010（GaN on SiC）

模型导入示例：

FET_Model[1]( Model="CGH40010F_ADS", File="Cree/CGH40010F.lib")

3. 核心电路模块实现

3.1 输入功分器设计

采用Lange耦合器实现3dB等分与90°相位差：

MLANG[1]( W=50um, L=1000um, S=20um, N=4)

关键参数优化：

幅度平衡度 < 0.3dB
相位误差 < 5°
隔离度 > 20dB

3.2 阻抗变换网络

1/4波长微带线计算工具：

import numpy as np def calc_microstrip(er, h, Z0): w_h = (8*np.exp(Z0*np.sqrt(er+1.41)/87))/(np.exp(Z0*np.sqrt(er+1.41)/87)-2) w = w_h * h eff = (er+1)/2 + (er-1)/2/np.sqrt(1+12*h/w) lambda_g = 300/(freq*np.sqrt(eff)) return w, lambda_g/4