基于数字双输入的超宽带Doherty功率放大器设计-从理论到ADS版图

参考论文: 高效连续型射频功率放大器研究

假期就要倒计时啦，估计是寒假假期的最后一个博客，希望各位龙年工作顺利，学业有成。

全部工程下载：基于数字双输入的超宽带Doherty功率放大器设计-从理论到ADS版图-ADS工程
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如果硕士毕业设计用到双输入，也算是比较深入的了，一般都是作为压轴的那一章。

作者我复现了七天，数字双输入的超宽带Doherty实际实现是有一定门槛的，需要对每个输入支路的功率、相位进行扫描，在此进行复现并给出模板、画图代码（虽然我现在不清楚实际测量的时候怎么搞，估计要写个脚本查表吧）。

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使用几个频点的数据来近似说明整体的数据：
在0.7-3.1GHz的范围内，饱和输出功率为43.31-44.78dBm，饱和输出增益为10.37-12.24dB，饱和输出效率为60.5-74.07%，回退6dB效率为45.43%-61.5%。

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前置文章：单输入Doherty 功率放大器的极限带宽分析（含Matlab分析代码），数字双输入的就是为解决此问题的，。

类似的双输入架构：双输入宽带混合 Doherty-Outphasing功率放大器设计(2021.02 MTT)-从理论到ADS版图

0、实现效果展示

基于CGH40010F

这个博客几乎就是对“高效连续型射频功率放大器研究”论文中数字双输入部分的复现，是在原来的基础上进行了一的OPTIM，主要是原来论文里面的微带线参数都是保留一位小数，精度可能不太够。

0.1、版图展示

整体的版图如下，由于是双输入的，有两个输入的端口：

0.2、扫描的结果

数字双输入的超宽带Doherty实际实现是有一定门槛的，需要对每个输入支路的功率、相位进行扫描，此处Pin1 的扫描范围为6-30dBm，Pin2 的扫描范围为6-30dBm，相位差的扫描范围为0-180，最后扫描模板得到的结果如下（例如2700MHz），一般都会对其取包络（使用Matlab脚本提取，后面介绍）：

0.3、实现的效果

因为需要对每个频率下的参数进行扫描，所以取几个频率点的数据进行参考，使用几个频点的数据来近似说明整体的数据：
在0.7-3.1GHz的范围内，饱和输出功率为43.31-44.78dBm，饱和输出增益为10.37-12.24dB，饱和输出效率为60.5-74.07%，回退6dB效率为45.43%-61.5%。

使用Matlab脚本提取包络，700MHz效率与增益结果如下所示，在700MHz，实现了44.78dBm的饱和输出功率，12.24dB的饱和增益，饱和效率为72.2%，回退6dB效率为50.13%：

使用Matlab脚本提取包络，1500MHz效率与增益结果如下所示，在1500MHz，实现了43.38dBm的饱和输出功率，10.37dB的饱和增益，饱和效率为60.5%，回退6dB效率为61.5%：

使用Matlab脚本提取包络，2300MHz效率与增益结果如下所示，在2300MHz，实现了44.31dBm的饱和输出功率，11.3dB的饱和增益，饱和效率为70.48%，回退6dB效率为45.43%：

使用Matlab脚本提取包络，3100MHz效率与增益结果如下所示，在3100MHz，实现了43.3dBm的饱和输出功率，11.68dB的饱和增益，饱和效率为74.07%，回退6dB效率为49.91%：

1、双输入的核心理论

1.1、提要

单输入Doherty 功率放大器的极限带宽分析（含Matlab分析代码）中分析了单输入DPA的极限带宽。在传统单输入DPA中，存在固定的载波功放和固定的峰值功放，因此在回退点的等效电路是固定的（峰值功放视为开路），如：

但是，如果我们能够自定义输入功率，从而自定义哪个功放充当峰值功放和载波功放，就可以在回退时获得两种工作模式（相当于有两种电路了，自然带宽可以拓展）：

1.2、理论推导

上图中，${\theta }_1$${\theta }_2$都和频率相关，所提及的角度是在f0出的电长度。（先简单回顾一下一个基础知识，在$f_0$处电长度为180，那么在x$f_0$处其等效电长度为x180。例如，在在$f_0$处电长度为180，那么在2$f_0$处其等效电长度为2180=360。）

为了简便起见，首先假设在某一工作频点处${\theta }_1=90$，观察${\theta }_2$的取值和带宽的关系（下面都使用Matlab脚本分析画图得到，分别对两种模式进行分析）：

直观一些，可以看到无论${\theta }_2$取何值，双输入 Doherty 功放在归一化频率f = 2处效率恶化严重。此时，工作在模式 I 下的双输入 Doherty 功放只有在f为 1 或者 3 附近具有良好的回退效率（红色鲜艳）。

可以看出，在工作模式 II 下，当${\theta }_2$约为45°时，双输入 Doherty 功放在归一化频率1.3-2.6 之间可以获得良好的回退效率；而当${\theta }_2$为其他值时，双输入 Doherty 功放只能在某一小频率区间获得良好的回退效率。

分析代码：

clc
clear
close all

Ropt=1;
% 相对带宽表达式
f0=1;
f_arrary=f0*linspace(0.6, 3.3, 99);
theta_1=90;
theta_2=0:5:180;

figure(1)
subplot(2,1,1)
[X,Y] = meshgrid(f_arrary,theta_2);
for i=1:1:length(theta_2)
    for j=1:1:length(X)
        Z(i,j)=DPA_Effi_Cal_v2(X(i,j),90,Y(i,j));
    end
end
surf(Y,X,Z);
title('双输入 Doherty 功放工作在模式 I')
colormap jet%jet是一种配色方案，还有其他方案如winter，summer····见help colormap
colorbar
xlabel('\theta_2');
ylabel('归一化频率');
zlabel('Efficiency(%)');

subplot(2,1,2)
[X,Y] = meshgrid(f_arrary,theta_2);
for i=1:1:length(theta_2)
    for j=1:1:length(X)
        Z(i,j)=DPA_Effi_Cal_v2(X(i,j),Y(i,j),90);
    end
end
surf(Y,X,Z);
title('双输入 Doherty 功放工作在模式 II')
colormap jet%jet是一种配色方案，还有其他方案如winter，summer····见help colormap
colorbar
xlabel('\theta_2');
ylabel('归一化频率');
zlabel('Efficiency(%)');

1.3、所需的约束

${\theta }_1$在f1处电长度为90°，${\theta }_2$在f1处电长度为45°，延时的变化符合微带线基本特性（${\theta }_1$在f2处电长度为2 * 90°，${\theta }_2$在f2处电长度为2 * 45°，以此类推）。

此外，TL1和TL2的阻抗要是Ropt，B类最佳阻抗。

负载RL的阻抗为Ropt/2，需要使用后匹配网络匹配到50欧姆。

2、基于ADS与CGH40010F的验证

作者论文中参数都是有效的，我是在原来的基础上进行了一的OPTIM，主要是原来论文里面的微带线参数都是保留一位小数，精度可能不太够。

作者Ropt选的是30欧姆，漏极电压28V，栅极电压-3.3V。

2.1 ${\theta }_1$电长度和阻抗的约束实现

Output/OutputSub_TL2原理图
微带线TL2的在f1处电长度为90°，阻抗为Ropt，延时的变化符合微带线基本特性（${\theta }_1$在f2处电长度为2 * 90°，以此类推）。构建优化：

查看阻抗和延时的实现效果，比较好：

2.2 ${\theta }_2$电长度和阻抗的约束实现

Output/OutputSub_TL1原理图
微带线TL1的在f1处电长度为45°，阻抗为Ropt，延时的变化符合微带线基本特性（${\theta }_2$在f2处电长度为2 * 45°，以此类推）。构建优化：

查看结果，差的不多：

2.3 后匹配网络阻抗匹配约束

Output/OutputSub_PMN
理论负载是Ropt/2，需要把Ropt/2变换到50欧姆，也就是要把15欧姆变换到50欧姆，构建优化：

匹配良好：

2.4 输入匹配设计

Input/InputMatch_Sub

输入匹配要求不高，我直接用作者提供的电路，需要自己设计的可以使用源牵引方法，参考：番外5：ADS功放设计之负载牵引与源牵引、ADS使用记录之AB类功放设计。

电路图如下：

匹配效果还可以：

3、系统仿真和扫描

3.1、系统仿真和扫描原理图

Test/HB1ToneGComp2swp_v1
双输入架构使用俩个输入端口，扫描的相位差为变量My_Delay：

Param1就是Pin1的输入功率，Param2就是Pin2的输入功率，My_Delay为扫描的相位差，RFfreq为当前的频率，需要自己设置：

运行得到结果，：

3.2、使用Matlab提取数据

把上面表格的数据导出为csv：

打开我提供的Matlab代码，修改名字为你的csv文件名，此外需要手动修改Mydelay为你ADS中所设的的延迟扫描参数，例如：

% 输入csv的名字
csv_name='3100.csv';
% 手动设定扫描延时
Mydelay=-180:5:0;

运行Matlab即可。
全部代码：

运行代码，可以得到效率、增益和所需的输入功率、延迟等信息（2700MHz）：

作者也提供了输入功率、相位差数据，可以对比一下，其中两路的输入功率数据是高度一致的：：

3.3、画图分析的Matlab代码

DPA_Effi_Cal_v2.m

function [effi] = DPA_Effi_Cal_v2(freq,theta_1,theta_2)
% theta是对于f0而言的，此处来计算在freq处的角度
theta_1=theta_1*freq/1;
theta_2=theta_2*freq/1;

Ropt=1;
RL=Ropt/2;
ZP_OPBO=Ropt./(1j*tand(theta_2));% 峰值负载为无穷
ZC_OPBO=1./(1/RL+1./ZP_OPBO);% 并联关系
ZCB=Ropt*(ZC_OPBO+1j*Ropt*tand(theta_1))./(Ropt+1j*ZC_OPBO.*tand(theta_1));% Zin计算
effi=78.54*real(ZCB)/(2*Ropt);% 计算效率，阻抗大于2Ropt被认为是饱和，效率为78.54
effi(effi>78.54)=78.54;
effi(isnan(effi))=78.54;
end

draw_data.m

clc
clear
close
% 输入csv的名字
csv_name='3100.csv';
data=readmatrix(csv_name);%csvread只能读取纯数据
% 手动设定扫描延时
Mydelay=-180:5:0;

%添加延时数据到data数组
repeat_times=length(data)/length(Mydelay);
Mydelay_data=[];
for ind=1:1:repeat_times
    Mydelay_data=[Mydelay_data Mydelay];
end
data(:,5)=Mydelay_data;

Pout_dbm=data(:,3);%提取输出功率数据
Pout_dbm_Draw_step=0.4;
Pout_dbm_Draw=min(Pout_dbm):Pout_dbm_Draw_step:max(Pout_dbm);

for ind=1:1:length(Pout_dbm_Draw)
    eval(['Pout_dbm_DataAll.data', num2str(ind), '= [];']);
end

% 获取每个输出功率为Pout_dbm_Draw附近的点数据
for ind=1:1:length(data)
    for j=1:1:length(Pout_dbm_Draw)
        if abs(data(ind,3)-Pout_dbm_Draw(j))<=Pout_dbm_Draw_step/2
            eval(['Pout_dbm_DataAll.data', num2str(j), '=[Pout_dbm_DataAll.data', num2str(j),';data(ind,:)];']);
        end
    end
end
% 对每个数据提取最佳的效率点，并记录输入功率、延时等等
for ind=1:1:length(Pout_dbm_Draw)
    % 判断是否是空数组
    if eval(['isempty(Pout_dbm_DataAll.data',num2str(ind), ')'])
        eval('DrawData.Pin_1(ind)=NaN;');
        eval('DrawData.Pin_2(ind)=NaN;');
        eval('DrawData.Pout_dbm_Real(ind)=NaN;');
        eval('DrawData.Efficiency(ind)=NaN;');
        eval('DrawData.Delay(ind)=NaN;');
    else
        eval(['[max_val,max_ind]=max(Pout_dbm_DataAll.data', num2str(ind), '(:,4));']);
        eval(['DrawData.Pin_1(ind)=Pout_dbm_DataAll.data', num2str(ind), '(max_ind,1);']);
        eval(['DrawData.Pin_2(ind)=Pout_dbm_DataAll.data', num2str(ind), '(max_ind,2);']);
        eval(['DrawData.Pout_dbm_Real(ind)=Pout_dbm_DataAll.data', num2str(ind), '(max_ind,3);']);
        eval(['DrawData.Efficiency(ind)=Pout_dbm_DataAll.data', num2str(ind), '(max_ind,4);']);
        eval(['DrawData.Delay(ind)=Pout_dbm_DataAll.data', num2str(ind), '(max_ind,5);']);
    end
end

% 空数组插值
DrawData.Pin_1 = fillmissing(DrawData.Pin_1,'movmean',5);
DrawData.Pin_2 = fillmissing(DrawData.Pin_2,'movmean',5);
DrawData.Pout_dbm_Real = fillmissing(DrawData.Pout_dbm_Real,'movmean',5);
DrawData.Efficiency = fillmissing(DrawData.Efficiency,'movmean',5);
DrawData.Delay = fillmissing(DrawData.Delay,'movmean',5);
% 计算总的输入功率
DrawData.PinAll=10*log10((10.^(0.1*(DrawData.Pin_1-30)))+(10.^(0.1*(DrawData.Pin_2-30))))+30;
% 计算增益
DrawData.Gain=DrawData.Pout_dbm_Real-DrawData.PinAll;

% 画图
figure(1)

plot(DrawData.Pout_dbm_Real,DrawData.Efficiency,'-o','Color','r','LineWidth',1);hold on
ylabel('Drain Efficiency(%),Gain(dB)');xlabel('Pout(dBm)');

plot(DrawData.Pout_dbm_Real,DrawData.Gain,'-square','Color','magenta','LineWidth',1);hold on
legend('Efficiency', 'Gain')
title(csv_name)

figure(2)
plot(DrawData.Pout_dbm_Real,DrawData.Pin_1,'-v','Color','b','LineWidth',1);hold on
plot(DrawData.Pout_dbm_Real,DrawData.Pin_2,'-v','Color','b','LineWidth',1);hold on
ylabel('Pin(dBm)');xlabel('Pout(dBm)');
yyaxis right
plot(DrawData.Pout_dbm_Real,abs(DrawData.Delay),'-o','Color','black','LineWidth',1);
ylabel('Delay(°)');
legend('Pin_1', 'Pin_2','Delay')
title(csv_name)

4、运行环境

ADS版本：ADS2023

依赖的ADS库文件：Cree公司的GAN库，CGH40010F管子、（文件中包含，但可能要调整路径）