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连续J/F-1模式Doherty功放设计：ZTC与Zpmn网络的ADS实现精要

1. 非对称Doherty功放的核心挑战

现代无线通信系统对功率放大器的效率要求越来越高，特别是在5G和未来6G应用中。传统对称Doherty功放的回退效率通常局限在6dB左右，难以满足高阶调制信号（如256QAM）的苛刻需求。而非对称连续J/F-1模式Doherty功放通过创新的架构设计，将回退效率提升到9dB甚至更高，成为当前微波功放领域的研究热点。

这种架构面临三个主要技术难点：

1. 阻抗变换网络的精确设计与实现，特别是载波功放的等效传输线ZTC和后匹配网络Zpmn
2. 谐波控制策略在宽带工作条件下的稳定性
3. 各功能模块在非线性相位响应下的协同工作

其中ZTC和Zpmn网络的设计最为关键，它们直接决定了功放的效率特性和带宽性能。根据IEEE MTT的最新研究，一个典型的非对称连续J/F-1模式Doherty功放中：

• 载波功放通常采用CGH40010F（13W）
• 峰值功放采用CGH40025F（25W）
• 设计回退点通常设置为9dB

2. ZTC网络的理论基础与ADS实现

2.1 ZTC的物理意义与参数选择

ZTC（载波功放等效传输线）在非对称Doherty架构中扮演着阻抗变换的核心角色。其特性阻抗的选择需要综合考虑：

• 饱和状态下的功率输出能力
• 回退状态下的效率优化
• 宽带工作时的阻抗连续性

通过理论推导，我们可以得到ZTC的最优值范围：

在ADS中实现ZTC网络时，需要特别注意封装参数的影响。实际设计中，我们通常采用以下步骤：

1. 创建理想传输线模型，设置Z=57.5Ω（2.3×25Ω）
2. 添加封装寄生参数（通常为0.3-0.5nH电感）
3. 进行参数扫描优化，确保在目标频段内满足相位要求

// ADS中ZTC网络的基本实现 TLIN TL1 Z=57.5 Ohm F=2GHz E=90 Lpkg L1 L=0.4nH

2.2 θTC的非线性相位补偿

理论计算得到的θTC往往呈现非线性频率特性，这给实际电路实现带来了挑战。通过数值分析可以发现：

• 低频区域需要约40°的相位延迟
• 高频区域需要约140°的相位延迟
• 中心频率附近相位变化剧烈

在ADS中，我们可以采用以下方法实现这种非线性相位响应：

1. 分布式结构：组合不同电长度的微带线段
2. 集总元件补偿：加入串联/并联LC网络
3. 混合方案：分布式结构辅以集总调谐

提示：实际版图实现时，建议先用理想传输线验证理论，再逐步过渡到微带线设计，可减少迭代次数。

3. Zpmn网络的谐波控制策略

3.1 基波与谐波阻抗的协同设计

Zpmn（后匹配网络）不仅需要完成基波阻抗变换，还要实现对二次、三次谐波的精确控制。连续J/F-1模式对谐波阻抗有特殊要求：

• 二次谐波：呈现特定容性（-j3π/8Ropt）
• 三次谐波：接近开路状态

在ADS中实现这种多频点控制，可以采用：

• 阶梯阻抗变换器
• 开路/短路枝节加载
• 复合左右手传输线

// Zpmn网络的ADS实现示例 SUBST MSUB Er=3.66 H=0.508mm T=0.035mm MLIN TL2 W=0.8mm L=10mm MOCSTUB STUB1 W=0.3mm L=5mm

3.2 宽带谐波控制的实现技巧

为保证宽带工作条件下的谐波控制效果，需要特别注意：

1. 阻抗轨迹平滑性：史密斯圆图上呈现连续变化
2. 相位一致性：各频点相位关系保持稳定
3. 参数敏感性分析：识别关键尺寸参数

通过ADS的优化工具，可以设置多目标优化函数：

• 基波阻抗匹配（36Ω附近）
• 二次谐波阻抗相位控制
• 三次谐波阻抗幅值最大化

4. 系统集成与性能验证

4.1 整体仿真方案

在完成ZTC和Zpmn网络设计后，需要进行系统级验证。推荐采用以下仿真流程：

1. 单音激励测试：验证基本效率特性
2. 双音测试：评估线性度指标
3. 调制信号测试：使用实际通信信号验证

注意：功分比设置应与理论计算一致（通常为1:1.5至1:2.2），不一致会导致回退效率下降。

4.2 典型问题排查指南

在实际调试中常遇到以下问题：

对于使用GaN器件（如CGH40010F/CGH40025F）的设计，还需特别注意：

• 栅极偏置点的温度稳定性
• 漏极电压的缓启动保护
• 封装寄生参数的精确建模

5. 进阶设计技巧与未来方向

随着5G-Advanced和6G研究的推进，Doherty功放设计面临新的挑战。几个值得关注的技术方向：

1. 毫米波集成Doherty：基于SiGe或CMOS工艺的片上实现
2. 数字辅助调谐：通过实时检测调整匹配网络参数
3. 异构集成技术：GaN与硅基器件的混合设计

在实际项目中，我们常采用"理论计算-仿真验证-版图实现-测试优化"的迭代流程。每个环节都需要特别关注ZTC和Zpmn网络的性能表现，它们如同Doherty架构的"心脏"，决定了整个系统的效率特性。