做射频功放设计这行Doherty是一个绕不开的名字。尤其当你手里有一颗CGH40010F这样的10W氮化镓管子想验证某个通信频段功放架构的时候直接画版图等于赌命。更现实的做法是在ADS里先把Doherty的半理想架构跑通——晶体管用厂商精确模型无源网络用理想传输线用最快速度回答“这个方案到底能不能出效率、能出多少效率”。这篇文章就是我把这套流程完整走一遍之后整理出来的可复现笔记。里面会讲到为什么要选半理想架构、CGH40010F的工作点怎么定、负载牵引怎么做、合路相位怎么调以及仿真结果里哪些数据值得信、哪些坑必须躲。1. 先说清楚为什么是CGH40010F为什么是“半理想”1.1 这颗10W氮化镓管子好在哪CGH40010F是Wolfspeed早期叫Cree出品的一款10W GaN HEMT封装是金属陶瓷法兰工作频率范围覆盖DC到6GHz。在2.6GHz附近单管饱和输出功率能做到40dBm左右典型增益在13到15dB之间漏极效率在饱和点附近能摸到60%以上。这些特性让它成为Doherty功放里“小功率末级”或者“大功率驱动级”的常客。选它做Doherty还有一层原因模型成熟。Wolfspeed官方提供ADS模型包含直流、小信号S参数、大信号谐波平衡仿真的完整描述。相比用理想GaN模型或者自己建行为模型官方模型能帮你少踩很多“仿真和实物对不上”的坑。尤其是负载牵引和谐波分析这种对模型敏感度极高的仿真厂商模型至少保证了管芯层面的趋势是正确的。不过要注意CGH40010F虽然是10W管但Doherty架构里一般要跑两路一路作为载波放大器Carrier一路作为峰值放大器Peaking。两个管子合起来的理论总功率是3dB叠加但因为有回退机制实际系统饱和输出会比两管简单并联略低。半理想仿真阶段我一般把目标定在饱和输出功率40dBm左右6dB回退点效率尽量往45%以上做。1.2 “半理想”不是偷懒而是把问题拆开很多人一提到仿真就恨不得把所有微带线、过孔、焊盘、封装耦合全塞进去。真实版图仿真当然有它的价值但那是后面的事。Doherty功放的核心难点压根不在微带线的损耗和寄生而在“负载调制机制能不能成立”。如果一开始就上全版图仿真你会在几十个变量里打转根本分不清效率掉了5%是因为合路相位不对还是因为微带线拐角太急。半理想架构的含义是晶体管用厂商的非线性模型但功分器、合路器、相位补偿线、偏置馈电网络统统用理想元件。理想传输线TLIN、理想变压器、理想电阻、理想电容都没问题。这样做的最大好处是把一个多变量强耦合问题拆成了两个层次先确认架构本身的行为正确再逐步把理想元件替换成真实物理模型。我见过太多人一上来就在ADS里面画完整版图结果仿真不收敛或者效率曲线一团糟最后怀疑电路拓扑有问题。其实很多时候问题出在无源网络的细节上跟Doherty原理本身没关系。先用半理想架构把原理验证完后面再“从理想走向现实”这才是标题里那句话的真正顺序。2. 半理想Doherty到底在仿什么架构拆解与设计目标2.1 Doherty的原理一句话负载调制Doherty的概念如果展开讲能写一本书但在半理想仿真阶段你只需要抓住核心通过控制峰值功放的开启时机让载波功放的等效负载阻抗随输入功率变化。低功率时峰值管截止载波管看到一个比最佳负载更高的阻抗提前进入饱和大功率时峰值管开启向合路点注入电流把载波管的负载拉回最佳值让载波管继续出力同时峰值管也出力。打个比方载波管像主力员工小活一个人干峰值管像临时帮手只有大项目才叫来一起扛。Doherty的难点就是让这两个员工“交接班”时不要打架而半理想仿真要验证的正是这个交接班机制。在数学上合路点电流矢量的相位关系决定了负载调制是否成立。如果两路电流相位不对合成效率会迅速恶化。这也是后面相位补偿那么重要的原因。2.2 半理想架构的电路组成载波管、峰值管、功分器和合路网络一个典型的半理想Doherty原理图包含以下几个部分输入功分器把输入信号等分到载波支路和峰值支路。半理想阶段可以用理想的3dB功分器模型或者用理想传输线加隔离电阻搭一个Wilkinson。载波支路CGH40010F偏置在AB类通常VDS28VIDQ大约在100mA到150mA确保小信号时就能工作。峰值支路同一型号的CGH40010F偏置在C类栅极电压要设置在夹断电压以下比如-4.5V左右让管子只有在大信号时才导通。相位补偿线由于峰值管C类导通的相位和载波管不完全一致需要在栅极网络里加一段理想传输线调整相位。输出合路网络载波管输出经过四分之一波长阻抗逆变线接到合路点峰值管输出直接或通过一段补偿线接到同一合路点然后合路点经过匹配网络接到50Ω负载。这个结构看着不复杂但每个模块的参数都互相影响。半理想仿真阶段我会尽量用变量VAR定义所有关键参数比如频率、管子的偏置、相位线电长度、合路线阻抗。这样后面优化的时候只需要改VAR不需要在原理图里到处翻。2.3 设计目标饱和点、回退点、效率曲线形状在跑仿真之前先把指标定清楚。没有指标仿真就是瞎调。基于CGH40010F的能力我这次给自己定的目标是工作频点2.6GHz饱和输出功率40dBm10W6dB回退点输出功率34dBm饱和漏极效率不低于55%6dB回退漏极效率不低于45%功率增益不低于10dB其中“回退点效率”是Doherty的灵魂。普通AB类功放在6dB回退时效率可能只有20%到30%Doherty存在的意义就是把这个数值拉高到接近饱和效率。半理想仿真能不能达到这个指标直接决定这个项目值不值得往下走。值得提醒的是CGH40010F是10W管如果你非要做40W或者50W的Doherty则需要多管合成。半理想架构的调试思路仍然一样但负载牵引的目标功率和阻抗会完全不同。3. ADS工程搭建模型、VAR控件与仿真模板3.1 模型库与设计套件的准备ADS软件本身是是德科技的商业EDA工具支持Windows和Linux。做CGH40010F仿真之前需要先确认几件事ADS版本我用的是ADS 2023UI和2020之后基本一脉相承。旧版本也能跑但建议至少2020以上表格类结果显示更舒服。CGH40010F官方模型去Wolfspeed官网注册下载里面通常有Wolfspeed_CGH40010F.lib和对应的ADS原理图符号。把模型库解压后通过ADS的File Install Library或者DesignKit菜单导入。HDL模型与IBIS模型确认如果只是大信号建模仿真用SPICE/Netlist模型文件就够了。导入后建议在原理图里放一个CGH40010F管做一个最简单的直流扫描确认模型能正常调用。这里有一个容易踩的坑模型库路径不能有中文也不能有空格。ADS对库路径的管理比较死板路径太怪会导致模型调用失败报错还特别隐晦。我一般直接把库放到D:\ads_libs\wolfspeed\下面干净利落。3.2 静态工作点和I-V曲线验证搭Doherty之前先单独验证两个管子的直流特性。把CGH40010F放进原理图VDS设置为28V栅极电压从-4V到0V扫描看转移特性。CGH40010F的典型夹断电压大约在-3.0V左右但这颗管子个体差异不小所以最好以实际模型扫描结果为准。我习惯在VAR控件里先定义基础变量VAR freq 2.6 GHz VDS 28 V VGS_Carrier -2.8 V VGS_Peaking -4.5 V IDQ_Carrier 120 mA然后用直流仿真模板扫I-V曲线确认载波管在VGS_Carrier-2.8V时静态漏极电流是否在100mA到150mA区间。如果偏了就微调栅压值。峰值管的静态电流要接近0也就是C类状态所以栅压要设置在夹断以下。这一步很多人会跳过但我强烈建议不要跳。因为后续Harmonic Balance仿真的收敛性和初始条件跟工作点强相关。工作点都不对大信号仿真一开始就会各种不收敛或者结果离谱。3.3 建立HB仿真模板功率扫描与效率方程ADS的仿真模板很多但Doherty半理想仿真我一般自己手搭。新建一个原理图把两个CGH40010F拖进去加入理想的输入功分器、传输线、合路器再放一个HB1控制器。关键设置如下HB1 Freq[1] freq Order[1] 7 SweepVar Pin_dBm Start 15 Stop 40 Step 0.5其中Pin_dBm是输入功率变量用VAR控件定义。谐波阶数取7基本够了如果只看效率和谐波7阶已经能反映趋势如果想连ACPR都看建议取9到11但仿真时间会明显增加。测量方程MeasEqn里我通常会写这几行MeasEqn Pout_dBm dBm(HB.Pout[1]) Gain_dB Pout_dBm - Pin_dBm PAE_Carrier PAE(HB.Carrier_I_Drain[1], HB.Carrier_V_Drain[1], Pin_dBm) PAE_Peaking PAE(HB.Peaking_I_Drain[1], HB.Peaking_V_Drain[1], Pin_dBm) PAE_Total PAE(HB.Total_I_DC, HB.Total_V_DC, Pin_dBm)具体表达式取决于你的电路节点命名但逻辑是一样的分别测载波管、峰值管和总效率。只看总效率是不够的因为你需要知道两路管子分别在什么功率点开始工作。4. 逐级仿真从负载牵引到合路器调相的完整流程4.1 负载牵引找到两个关键阻抗Doherty本质上对载波管的负载阻抗有特殊要求。在低功率回退时载波管需要看到一个比最佳负载更高的阻抗饱和时又要拉回最佳负载。因此我们需要先通过负载牵引确定载波管的最佳源阻抗和负载阻抗对应饱和功率和效率的折中点。峰值管的最佳源阻抗和负载阻抗对应它导通后的工作点。在ADS里最省事的方法是直接用DesignGuide里的Load-Pull模板。把CGH40010F的模型放进去设置频率2.6GHz、输入功率为饱和点附近比如34dBm左右然后扫描负载阻抗。你会得到一族等效率圆和等功率圆。我一般会在两个功率点各做一次负载牵引饱和点输入功率34dBm时找漏极效率最高的负载阻抗。回退点输入功率28dBm时看最佳负载阻抗往哪个方向移动。Doherty要求载波管在回退点看到较高阻抗在饱和点看到较低阻抗。如果负载牵引下来两个最佳阻抗离得很远说明管子特性可能不适合做深度回退Doherty。CGH40010F通常没问题但也别想当然。注意负载牵引模板里的“最佳阻抗”是基于单管直接输出到负载的情况。真正Doherty合路网络未必能完美匹配到你想要的阻抗所以后面还需要微调。4.2 理想功分器、相位线与合路器搭建负载牵引做完我会把初步阻抗写进VAR然后开始在原理图里搭完整的Doherty拓扑。输入功分器可以用两种办法直接用ADS的Power_Splitter理想模型设置分配比1:1。或者用理想传输线搭Wilkinson两段四分之一波长线阻抗70.7Ω中间加100Ω隔离电阻。半理想阶段我推荐第一种省事。从功分器输出之后分别接载波管和峰值管的输入匹配。这里关键是相位。峰值管C类工作开启后电流相位跟载波管可能对不上所以要加一段可变的理想传输线TLIN做相位补偿。简单的调法先用VAR变量Phase_Line_Electrical表示峰值支路栅极相位线的电长度初始值设为0度然后跑一次功率扫描观察饱和点的输出功率。如果总输出功率明显低于40dBm或者效率曲线很乱就说明相位不对。输出合路网络我一般这样做载波管漏极接一段四分之一波长传输线阻抗可以用50Ω或者优化值接到合路点。峰值管漏极直接接到同一个合路点也可以在峰值支路加一小段补偿线。合路点再接一段传输线变换到50Ω负载。这里四分之一波长线的特性阻抗不是随便取的。经典Doherty里这条线要完成阻抗逆变让载波管在小信号时看到高阻抗。如果你原理性不完全清楚就先把线阻抗设为50Ω后面用优化来扫。4.3 用优化控件调相位和偏置半理想架构最大的优势是优化速度快。我比较喜欢用ADS的优化控制器加上Goal目标几个变量同时扫。关键优化变量建议设置为变量名含义初始值优化范围Z_inv合路λ/4线特性阻抗50Ω30~70ΩElec_inv合路λ/4线电长度90°70°~110°VGS_Peaking峰值管栅极电压-4.5V-5.0V~-3.0VPhase_Line_Electrical峰值支路相位线电长度0°0°~120°Z_phase相位线特性阻抗50Ω30~70Ω优化目标要同时看饱和点和回退点Goal Optimization Goal SimInstanceName HB1 Expr PAE_Total Min 45 Target 50 Weight 1你可以把两个功率点的效率都定义成目标。很难两个点同时做到最优所以需要权衡。我的经验是饱和效率稍微牺牲一点可以回退效率如果上不去Doherty相当于白做。4.4 仿真结果观察项功率扫描跑完之后除了看总效率我还会把以下曲线拉出来仔细看总输出功率Pout vs Pin确认饱和功率在40dBm左右。总效率PAE vs Pout看有没有清晰的“双峰”效果这是Doherty正常工作的标志。载波管和峰值管的输出电流观察峰值管什么时候开始导通。Gain vs Pout看增益有没有明显的下坠或凸起尤其是回退点附近。半理想仿真中峰值管电流曲线是最直观的开关指示。正常情况下低功率时峰值管电流接近0回退点附近开始上升饱和前达到跟载波管相当的电流。如果峰值管电流从一开始就很大说明栅压太接近夹断电压没有真正C类工作。5. 仿真数据解读什么时候算合格什么时候该回炉5.1 效率曲线的“双峰”怎么看Doherty的效率曲线和普通AB类功放不一样。普通功放效率随输出功率下降而单调下降Doherty则要求从饱和点回退6dB左右还能维持一个效率平台甚至会出现“小峰”。调试时你可以把效率和输出功率画在同一张图里我习惯横轴用Pout纵轴用PAE。理想情况下你能看到在Pout接近40dBm时PAE达到一个峰值可能55%到65%。回退到34dBm附近PAE掉得不多最好仍然在45%以上。如果曲线中间出现明显的“塌陷”说明峰值管开启后负载调制没有按照预期进行。塌陷最常见的原因是相位线长度不对。我把峰值支路相位线从0度开始每10度扫一次效率塌陷的位置会跟着变。找到那个让回退点效率最高的角度基本就是相位补偿的最优解。5.2 增益与AM-AM特性C类峰值管天生有小信号增益低的问题所以在Doherty组合里总增益曲线往往在小信号时由载波管决定信号大到峰值管开启后总增益会略微上升或保持平缓。半理想仿真里Gain曲线的理想形状应该是低功率段平直接近回退点后略有下降但下降幅度不超过1到2dB。如果你看到增益在回退点之前就开始急剧下坠很可能是载波管过早饱和。这时候可以提高载波管的静态电流让AB类特征更软。调整峰值管的栅压让它稍晚开启。加宽合路阻抗逆变线的特性阻抗范围让负载调制更平稳。AM-AM特性太差后面做数字预失真DPD也会更费劲所以半理想阶段就尽量把增益压缩控制住。5.3 回退深度与Doherty工作区间的关系回退深度不是固定的。功率回退3dB和6dB对效率曲线的影响完全不同。CGH40010F做Doherty时常规设计目标是6dB回退也就是满载功率的1/4处。但如果你希望优化到8dB甚至10dB回退那就要考虑载波管的负载调制范围更大合路网络需要更高阻抗变换比。峰值管的开启点要更晚C类深度更深。功分器可能需要变成不等分设计给峰值管更多功率。在半理想仿真里你可以把功分器分配比从1:1改成1.2:1或者0.8:1试试观察回退效率变化。CGH40010F模型跑这种扫描很快半小时能出趋势。5.4 常见翻车案例与排查思路我在调试半理想Doherty时遇到过几类反复出现的问题这里直接列出来现象可能原因排查方法总输出功率低于预期载波管和峰值管相位抵消分别看两管输出电流相位回退效率没有提升峰值管没有正常开启扫描VGS_Peaking看峰值管电流仿真不收敛谐波阶次偏低或电源阻抗不合适提高Order加入串联小电阻效率曲线在高功率段下降合路线阻抗不对优化Z_inv不要锁死50Ω增益太低输入功分器隔离度差或失配检查源阻抗匹配其中仿真不收敛这个问题值得多说一句。ADS的HB仿真器对初始条件敏感CGH40010F模型本身偏置条件苛刻有时候需要把谐波阶数从7改成9或者给晶体管栅极和漏极各加一个10Ω左右的小电阻来提升稳定性。半理想仿真里加小电阻是常规操作不会显著影响效率趋势。6. 从半理想到全版图仿真里看不见的坑6.1 理想元件到微带线的替换逻辑半理想架构验证完下一步就是把它变成可以加工版图。这时候很多人犯的第一个错是以为把理想TLIN换成微带线模型就万事大吉。其实没那么简单。理想TLIN只给你一个电长度和特征阻抗而微带线除了这两个参数还有损耗、色散、不连续性、耦合、过孔寄生等。替换的时候建议分三步走先把理想传输线换成矩形的物理微带线模型MSubMLIN保证电长度和阻抗相等。再把功分器从理想模型换成Wilkinson微带结构并重新仿真。最后把偏置馈电网络加进去用DC馈电线替代理想的扼流电感。每替换一步都要对比一次效率和功率曲线的变化。如果偏差大就用优化微调微带线的宽度和长度而不是反过来怀疑Doherty拓扑。6.2 寄生、耦合与散热半理想框架给不了的答案半理想仿真再漂亮也回答不了三个问题耦合、发热和极限稳定性。CGH40010F是10W管子在2.6GHz连续波工作时热阻效应很明显。半理想仿真里管壳温度默认是恒定的但真实场景下管芯温度会跟着功耗走进而影响增益和饱和功率。如果你后续要做大功率或者长时间发射必须配合热仿真工具。耦合问题在版图阶段更头疼。载波和峰值两支路的微带线如果靠太近会产生不希望的能量耦合导致相位偏移直接毁掉Doherty的负载调制。版图仿真时你可以用ADS的Momentum看一看耦合量级。如果某个频点耦合系数高得离谱那就把线间距拉开或者改变布线走向。6.3 后续扩展DPD配合、多频段、不等分比半理想架构还有一个隐藏价值它可以作为后续验证的“基准”。我在做完单频点2.6GHz的Doherty仿真后会复制一份工程改成3.5GHz再复用同样的半理想框架快速评估频段可移植性。只要能拿回平滑的效率曲线就说明这个拓扑有潜力如果效率一塌糊涂可能是合路网络对该频率不太友好。另外如果你打算做带数字预失真DPD的系统半理想仿真里的AM-AM/AM-PM数据也可以导出来作为DPD算法的模型输入。虽然实际系统还要校准但至少能提前判断系统的非线性形态。CGH40010F本身就是通信基站功放的常见选择和DPD配合后效率与线性度两个指标可以同时满足。最后分享一个我的习惯无论半理想仿真结果多好不要把效率数值直接当作实板预期。半理想架构里没有微带损耗没有宽带匹配复杂度也没有温度漂移所以实板效率通常会比仿真低3到6个百分点。但这不是坏消息——只要半理想架构能拿到45%以上的回退效率实板做到40%左右已经很能打了。调Doherty最怕的不是效率差而是不知道问题出在哪。半理想架构存在的意义就是让你在画版图之前先把“为什么”和“怎么办”搞清楚。
