半理想架构的Doherty功率放大器理论与仿真-基于GAN器件CGH40010F

半理想架构的Doherty功率放大器理论与仿真-基于GAN器件CGH40010F

理想架构的Doherty功率放大器理论与仿真中已经介绍了如何在ADS中使用理想电流源来对DPA的架构进行仿真。但是理想的电流源太理想了，电压、电流的许多行为都是需要自己使用数学公式去严格定义，稍微出错就会出现问题。

那我们能不能使用现有的管子的模型来进行DPA架构的模拟呢？当然可行，但是必定会和纯理想状态有些出入。

本文工程下载：半理想架构的Doherty功率放大器理论与仿真ADS工程-基于GAN器件CGH40010F
下载完成后手动添加CGH40010F库路径，后运行HB1TonePAE_Pswp_Doherty原理图即可

那么本文，我们来看看怎么用Cree家的CGH40010F来模拟DPA的调制行为。

1、经典Doherty架构

参考Switchmode RF and Microwave Power Amplifiers里面的图片，Z2的阻抗为Ropt（B类最佳基波阻抗），Z1是四分之一波长阻抗变换器，将Ropt/2的阻抗变换为50欧姆，因此其阻抗为(Ropt/2*50)^0.5欧姆。至于峰值功放前的四分之一波长线，那个是相位延迟的，因为载波功放那边有一个四分之一波长线了，为了让合路的相位一致，必须也要在峰值功放加上一个。

2、ADS各部分设计

2.1 单频点的功分器

单频率的功分器的设计可以参考12、ADS使用记录之功分器设计。但是我们此处是理想仿真，可以直接使用理想微带线进行设计，因此直接参考基于ADS的不等分威尔金森功分器设计，把其中的不等分比设置为1就行了。基于ADS的不等分威尔金森功分器设计中已经介绍了设计公式和代码，直接运行：

% 等分比kk=1
kk=1;
Z0=50;
Zu=Z0*sqrt((1+kk)/kk^1.5);
Zd=Z0*sqrt(kk^0.5*(1+kk));
R=Z0*(kk^0.5+kk^-0.5);
disp(['Z0的特征阻抗为：',num2str(Z0),'欧姆']);
disp(['Z02的特征阻抗为：',num2str(Zd),'欧姆']);
disp(['Z03的特征阻抗为：',num2str(Zu),'欧姆']);
disp(['R的特征阻抗为：',num2str(R),'欧姆']);

因此设计出来就是：

2.2 CGH40010F的输入匹配与相位延迟线设计

对于CGH40010F这个管子，一般源牵引的数值都是10欧姆附近。如16、ADS使用记录之AB类功放设计中的这张图：

当然，兄弟们也可以使用番外5：ADS功放设计之负载牵引与源牵引里面的介绍来自己操作一下。我们这边功分器的输出阻抗是50欧姆，源牵引数值是10欧姆，因此我们需要把50欧姆匹配到10欧姆。此处我们是原型验证，因此直接使用四分之一波长阻抗变换器即可：

注意看四分之一阻抗变换器后面的延迟线，注意其阻抗和后面的端口阻抗都是10欧姆，运行仿真，效果达标了：

2.3 使用去嵌入封装和最佳B类阻抗Ropt

我们使用的管子CGH40010F都是经过封装的，因此要进行理想的DPA仿真需要使用去嵌入封装的网络，这是一种非常简单的仿真做法。当然，在我们实际设计匹配电路的时候，我们一般把封装网络当成匹配网络的一部分来设计，当然这个就比较复杂了，在此不多说。

CGH40010F的封装（左）和去封装网络（右）如下：

直接连在管子的漏极，再把另一个输出端口当成新的电流源平面的漏极即可：

我们此处仿真就不考虑单管的具体工作类型了，因此直接把阻抗匹配到最佳B类阻抗Ropt。在此处仿真时，我们假设电源电压VDD=25V，考虑膝点电压后VDD=22V，假设基波电流饱和是为1.2A，那么Ropt可以计算为：22/1.2=18.33欧姆。

因此此处假设Ropt=18.33。

2.4 输入耦合、稳定电路、偏置隔离

输入加入电容耦合、在栅极添加RC稳定电路、使用四分之一波长线当供电线，最终DPA的原理图如下：

3、结果分析

此处仿真时载波功放栅极电压为-3V，峰值功放栅极电压为-6V，在2500MHz进行仿真，这样能让回退看起来明显一点，首先观察效率曲线，可以看到饱和输出功率为44.5dBm左右，回退6dB效率为60%，饱和漏极效率为68%左右：

利用漏极源平面的波形的傅里叶分量来计算负载阻抗的调制情况，可以看到非常经典的阻抗调制曲线，载波功放的调制曲线（左）和峰值功放的负载调制曲线（右），其中载波功放的调制曲线随着功率增大由2Ropt变化为Ropt，峰值功放的负载调制曲线随着功率增大由无穷变化为Ropt：

4、与理论的电压电流的对比

理想架构的Doherty功率放大器理论与仿真中，观察峰值功放和载波功放的电压电流，由于是1：1等分的，在饱和时峰值功放和载波功放的输出功率相同，输出电压、电流也一致，如下所示：

此处仿真的波形如下，基本差不多吧：