简介本资源是面向射频工程师与微波电路设计学习者的ADS仿真工程包聚焦多级高回退Doherty功率放大器Multistage Doherty的理论建模与理想电流源实现方案重点解决传统Doherty在宽功率回退区效率塌陷问题。资源包含96个文件以28个XML配置文件、18个DS电路原理图、14个TXT说明文档及4个CFG仿真参数文件为主干辅以DDS架构定义、PRF布局设置、LOG仿真日志和ADS工程核心库文件.lib/.oalib/.ads整体压缩包仅1.87MB结构紧凑、模块清晰便于快速加载与对比分析不同拓扑如Class-B、Asymmetric、Novel Multistage等共7种变体。已有504人学习下载提供完整可运行的ADS2023工程环境涵盖从基础单级Doherty到创新三级联架构的全部仿真数据、网表、状态文件与设计注释支持用户直接复现效率曲线、增益压缩及负载调制特性是深入理解高回退Doherty设计原理与ADS实操流程的实用参考。 做Doherty功放的人应该都有这个体会真正的难点不在电路拓扑本身而在回退区间的效率能不能撑起来。这两年5G和多载波通信的PAPR越来越高-8dB、-9dB回退已经不算新鲜基站功放甚至要覆盖-9.5dB以上的深度回退传统的两路Doherty在-6dB附近能打再往深走效率就会断崖式掉下去于是Multistage Doherty多路/多级Doherty的呼声越来越高。我自己在ADS里做这类架构预研时几乎每次都先用理想电流源把负载调制网络验证一遍再拿真实晶体管模型去碰。这套路子帮我省下大量调试时间也把很多“以为器件问题、其实架构问题”的坑提前排掉了。这篇文章就把这套“理想Multistage高回退Doherty 理想电流源”的ADS仿真流程完整展开适合正在做Doherty预研、或者被高回退功放设计折磨的朋友直接照着搭。1. 高回退Doherty为什么非要Multistage1.1 两路Doherty的天花板传统两路Doherty的原理大家都清楚一个载波放大器Carrier工作在Class-AB一个峰值放大器Peak工作在Class-C两者通过输出合路网络并联。低功率时峰值不工作载波单独给负载供电由于四分之一波长线的阻抗变换作用载波看到的负载被抬高到2倍最佳负载于是提前进入饱和功率升高到-6dB附近时峰值开始开启对合路点做负载调制把载波的负载逐步拉回最佳负载整个过程效率峰值会出现在回退点和饱和点两个位置。但这个架构有个硬伤它把“高回退效率”集中押在单个峰值放大器上而峰值放大器一旦开启载波的负载就被持续拉低两个放大器的电流分配关系决定了这个拓扑在-6dB附近效率最高过了这个点辅助放大器的电流占比太高载波又早早压缩整体效率会快速衰减。所以你让两路Doherty去覆盖-9dB、-10dB回退等于逼它干自己力所不能及的事。我在实际仿真里见过不少设计两路Doherty的-6dB效率峰做得很漂亮但拉到-9dB以后直接掉了十几个百分点这就是拓扑本身的特性不是调一调偏置就能救回来的。1.2 三路/多级结构多出的那个效率峰Multistage Doherty的思路就是绕过两路Doherty“单峰”的限制通过增加辅助放大器的个数把原来一个效率峰变成两个甚至更多。最常见的结构是载波放大器加两个峰值放大器分别在不同的回退深度开启峰值1在深度回退时开启比如-12dB附近峰值2在中度回退时开启比如-6dB附近。这样效率曲线会出现两个明显的峰值分别对应两个辅助放大器的开启点整个高效区间被拉宽。实际工程里对这个结构的称呼有点乱有人叫3-way Doherty有人叫Multistage Doherty还有人叫Cascaded Doherty。严格讲3-way侧重功率合成级数Multistage侧重辅助放大器参与调制的次序但核心思想一样多个峰值放大器在不同功率回退点做分时负载调制让载波放大器的工作点始终贴近最佳效率区域。从结果看设计得当的三路Doherty可以在-12dB到0dB全程维持不低于45%-50%的效率这个指标是两路构型很难达成的。1.3 理想电流源仿真在这个环节的价值很多人一上来就在ADS里挂GaN或LDMOS模型然后被各种非线性、寄生电容、记忆效应搞得晕头转向。其实对于预研阶段我们最关心的只有一件事负载调制网络和开启点设计能不能让效率峰值出现在正确的位置。这时候用理想电流源是性价比最高的办法。理想电流源模型把放大器简化为“输出电压-电流关系由外部变量控制”的电流源去掉了晶体管模型里几十个参数带来的不确定性。你只需要定义载波源的最大电流、峰值源的开启阈值、以及各路电流与输入驱动的关系就能在ADS里快速验证合路网络的特征阻抗、相位补偿和开启点分配。这些验证结论在换真实器件后依然成立因为负载调制网络的带宽特性、相位敏感性并不会因为器件模型变化而改变。我个人的经验是理想模型跑出来的效率峰位置换成真实模型后通常最多偏差1-2dB绝对值会降但趋势和峰值位置可参考性很强。2. 开始仿真前先想清楚负载调制网络2.1 理想电流源如何模拟放大器在ADS里用理想电流源模拟Doherty放大器核心不是找一个叫“理想电流源”的现成元件而是用受控电流源或VAR变量去表达放大器随输入功率变化的输出特性。我比较常用的是VAR变量定义的三分量模型载波放大器的基波电流随输入电压线性增长达到最大值后削波峰值1放大器的电流在输入电压超过阈值后开始增长峰值2放大器的电流在另一个更高阈值后开始增长。这样做的好处是每个电流源的幅度不再是定值而是输入功率的函数仿真时扫描输入功率就能看到不同功率下各支路电流的分配比例进而观察负载调制过程。如果你习惯用ADS里的行为级模型也可以用SDD1P或Verilog-A写同样的公式效果一致只是VAR变量更直观、改参数更快。具体到公式归一化输入电压幅度可以写成v_in 10**((Pin_dBm - P_sat_dBm)/20)其中Pin_dBm是输入功率扫描变量P_sat_dBm是饱和输入功率对应的参考值。载波源的基波电流可以定义为I_C if(v_in 1, I_max_c * v_in, I_max_c)峰值1源在深度回退开启比如设定阈值0.25对应-12dB表达式为I_P1 if(v_in 0.25, 0, I_max_p1 * (v_in - 0.25)/(1 - 0.25))峰值2源在-6dB回退点开启阈值0.5表达式为I_P2 if(v_in 0.5, 0, I_max_p2 * (v_in - 0.5)/(1 - 0.5))这组表达式的物理含义很直白载波从输入信号一开始就工作峰值源则像真实的Class-C功放一样输入信号幅度不够时完全关断达到阈值后才开启。这样我们就可以通过调节v_threshold值控制每个辅助放大器的开启回退深度。2.2 开启点与回退深度怎么分配开启点分配直接影响效率峰位置这也是Multistage Doherty设计的灵魂。首先你要明确目标回退深度比如系统要求-12dB回退下效率不低于50%那么你的设计目标就要围绕12dB和0dB两个效率峰展开。三路结构通常把峰值1设置在较深回退处开启-12dB或-9.5dB把峰值2设置在较浅回退处开启-6dB或-3dB两个开启点之间的区域负载调制由两个峰值源共同完成效率曲线就会在这两个点各出现一个峰。开启点用归一化输入电压阈值来定换算公式很简单回退深度 20 * log10(v_threshold)。比如你希望峰值1在-12dB处开启那阈值就是10^(-12/20)0.25希望峰值2在-6dB处开启阈值就是0.5。我习惯在VAR里把这三个阈值单独定义成变量Vth1、Vth2这样仿真时调开启点只用改变量不用重新画图。这个参数在后续优化效率曲线位置时是最关键的旋钮处理不好整个Multistage结构的高效区间就会错位。2.3 合路网络的特征阻抗初值合路网络是Doherty的骨架理想电流源仿真阶段最重要的事情就是把合路网络的阻抗关系验证清楚。两路Doherty的标准接法是这样载波PA输出端串联一段特征阻抗等于Ropt的四分之一波长线然后接到合路节点峰值PA直连合路节点合路节点再经过一段四分之一波长线接到实际负载。在这套结构里低功率时峰值PA等效开路载波输出经过四分之一波长线看到的阻抗被抬高到2Ropt从而实现回退效率提升。合路节点到负载的那段四分之一波长线特征阻抗按(Z1^2 * Ropt / 2)^(1/2)之类的变换关系确定实际常用Z2 sqrt(RL * Ropt/2)作为初值。三路Doherty的合路网络比两路多出一路峰值接法也更多样。我常用的并联三路结构是载波、峰值1、峰值2分别经过各自的四分之一波长线特征阻抗可以不同汇聚到合路节点A节点A再经过一段四分之一波长线接到负载。每个支路四分之一波长线的特征阻抗理论上与对应放大器的期望负载阻抗有关但理想模型阶段不必推得太细直接用Zopt_c、Zopt_p1、Zopt_p2做初值合路输出线先用50Ω顶着跑完效率曲线再用优化工具微调。仿真结果会对阻抗取值非常敏感如果效率峰位置对但效率值不对优先检查这几段线的特征阻抗。2.4 直流功耗与效率公式用理想电流源仿真时没有真实的晶体管耗电模型效率计算需要手动建立一套“直流等效”公式。我的做法是假设每个放大器都工作在理想Class-B状态根据导通角把基波电流幅值换算成等效直流电流Class-B理想情况下直流分量与基波幅值之比大约为0.637即2/π。这个近似适合载波放大器峰值放大器工作状态更接近Class-C比值会更低但在初步架构验证阶段可以统一按一个系数近似处理先看效率曲线趋势绝对值不必太较真。效率计算公式可以这样写在ADS后处理中先测负载上得到的输出功率Pout_W再算总直流功耗P_DC_total VDD * (I_DC_car I_DC_p1 I_DC_p2) DrainEff Pout_W / P_DC_total * 100其中每个等效直流电流就是基波电流幅值乘以0.637。把这条方程放到ADS的MeasEqn里仿真结束后就能直接画效率随回退深度变化的曲线。如果后续换成真实晶体管模型这套公式就不再适用要改用HB仿真器直接计算Drain Efficiency。3. ADS里一步步搭理想Multistage Doherty3.1 建工程、定频率、列清单打开ADS新建Workspace原理图选择Schematic先定好中心频率。我这里以3.5GHz为例因为5G中频段很常用你自己做项目时换成2.14GHz、2.6GHz都行只需要注意后续所有四分之一波长线的电长度和HB仿真频率保持一致。搭建前先把元件清单列好避免边画边找三个理想电流源用I_AC源Mag参数引用VAR变量三段到四段TLIN四分之一波长线Z和E由VAR控制一段到两段TLIND或TLIN用于相位补偿一个负载Term50Ω一个VAR变量控件定义所有设计参数一个HB谐波平衡仿真控件一个MeasEqn后处理方程控件。我建议把所有特征阻抗、电长度、阈值参数全部定义在同一个VAR里别直接写在元件参数栏。这样后面优化变量设置、参数扫描时只需要引用VAR里的名字修改一个地方全局生效。3.2 用VAR表达式定义三路理想电流源新建VAR控件在里面输入如下参数以3.5GHz、目标饱和输出功率约33dBm为例电流幅度先归一化处理Pin_dBm -20 P_sat_dBm 0 VDD 28 I_max_c 1.0 I_max_p1 0.8 I_max_p2 0.8 Vth1 0.25 Vth2 0.5 v_in 10**((Pin_dBm - P_sat_dBm)/20) I_C if(v_in 1, I_max_c * v_in, I_max_c) I_P1 if(v_in Vth1, 0, I_max_p1 * (v_in - Vth1)/(1 - Vth1)) I_P2 if(v_in Vth2, 0, I_max_p2 * (v_in - Vth2)/(1 - Vth2)) Idc_c 0.637 * I_C Idc_p1 0.637 * I_P1 Idc_p2 0.637 * I_P2然后放置三个I_AC元件交流电流源分别命名为Carrier、Peak1、Peak2把Mag参数分别设为I_C、I_P1、I_P2。注意I_AC的Mag参数是电流幅度默认单位是AVAR里定义的1.0表示1A量级的归一化电流真正的绝对电流并不重要因为我们关注的是相对效率曲线。Phase参数先按0度、90度、180度试初值后面微调相位补偿时要用。这里有个容易坑人的地方ADS的VAR表达式里用if函数条件判断不同版本对连续分段表达式的支持情况有差异。如果原理图报变量解析错误不要死磕VAR改用SDD1P或Verilog-A行为模型来承载同样的分段函数原理一样只是写的位置不同。3.3 拼合路网络和相位补偿从TLines-Ideal库拖出TLIN载波支路的TLIN设置Z Zopt_c比如25ΩE 90F 3.5GHz。这里E90就是四分之一波长线的电长度。峰值1、峰值2也一样各自接一段TLINZ可以先用各自的最佳负载阻抗。三路四分之一波长线输出端共同接到合路节点节点再通过一段TLINZ_L初值50ΩE90接到50Ω负载。相位对齐是Multistage Doherty里最容易被低估的一环。三个电流源到合路节点的电长度必须完全一样否则各路电流在合路点不能同相叠加输出功率和效率都会大打折扣。我的做法是先在载波支路放一个TLIND变量相位延迟线Phase初值设为0度然后在峰值1和峰值2支路上分别放相同的可调相位线用优化或手动扫描找出使合路点输出功率最大的相位组合。理想源模型下这个问题很干净相位对了输出功率立刻上去相位偏了效率曲线马上塌下来比真实器件容易判断得多。3.4 设置谐波平衡仿真和后处理方程在原理图里加入HB仿真控件主频率设为3.5GHz谐波阶数给5到7就够用。由于我们用的是理想电流源谐波成分本身很简单但保留几次谐波能让HB仿真器求解更稳。扫描设置指向VAR里的Pin_dBm范围从-20dBm到0dBm步进0.5dB或1dB这个区间覆盖了从深度回退到饱和的完整过程。后处理部分放一个MeasEqn写如下内容Pout_W real(Z_load) * mag(Vload)^2 / 2 Pout_dBm 10*log10(Pout_W) 30 Eff Pout_W / (VDD * (Idc_c Idc_p1 Idc_p2)) * 100 Backoff Pin_dBm - P_sat_dBm其中Vload是负载两端的电压变量ADS里可以用探针或电压表直接测。画图时横轴用Backoff回退深度纵轴用Eff这样一眼就能看出效率峰出现在哪个回退点最直观。4. 仿真结果效率峰、负载阻抗轨迹怎么看4.1 回退效率峰位置判断仿真跑完第一件事是看效率-回退深度曲线。理想的三路Doherty在这条曲线上能明显看到两个峰一个在峰值1开启点附近-12dB左右一个在峰值2开启点附近-6dB左右加上饱和点还会有一个峰总共三个局部高点。如果第二个峰值不明显或者峰值1对应的回退深度没有落在你设计的-12dB位置优先检查VAR里的Vth1、Vth2设置对不对然后看合路网络Z值是否需要微调。效率峰的绝对高度在理想模型下通常偏高因为没考虑晶体管导通压降、寄生等损耗我见过一些仿真曲线峰值能到70%甚至80%这并不意外。你要关注的是“峰在什么回退深度、峰与峰之间的距离是否覆盖了目标回退区间”。这两个信息对后续真实器件设计有直接指导意义。4.2 负载调制曲线是否真的发生了效率曲线符合预期后再深入到合路节点看负载调制轨迹。在载波输出端和两个峰值输出端分别放电压-电流探针扫描完功率后画出各放大器输出阻抗随回退深度的变化。理想情况下载波放大器在低功率时看到的阻抗应该接近2倍Ropt也就是50Ω随着峰值源逐步开启这个阻抗被拉回Ropt25Ω附近。峰值放大器在未开启时输入阻抗应该是高阻或开路开启后负载阻抗会回落到合理范围。如果载波的负载阻抗变化轨迹不明显说明合路网络的阻抗变换没有按预期工作常见原因是合路节点到负载的四分之一波长线特征阻抗Z_L设得太随意或者载波支路四分之一波长线的Z没有匹配Ropt。这一步验证重点在于负载调制规律对了后面换真实器件才有意义。4.3 合路点相位是否对齐通过电压探针观察合路点各支路电流的相位差。三路Doherty理想工作状态下各支路电流在合路点应该基本同相或按照四分之一波长线相位关系互补。如果看到某一路电流相位明显偏移输出功率会比各路功率代数和少很多效率曲线也会比预期低。相位对齐微调方法很直接把峰值源的Phase参数或支路里的TLIND相位线参数设成优化变量目标函数设为合路点输出功率最大或效率峰值最高ADS的Optimize功能可以一键扫出最佳相位。理想模型阶段把相位关系锁定后换成真实器件时相位偏移通常来自器件输入输出电容那是后一阶段的事了。5. 常见问题与排查实录5.1 HB不收敛理想电流源模型通常很容易收敛但偶尔也会出现HB迭代不收敛的情况。最常见的原因是合路节点缺少直流回路因为理想电流源在直流下的阻抗是无穷大节点电压会浮空。解决办法是在合路点或者每个电流源输出端本文还有配套的精品资源点击获取