ADS双频功放仿真实例（π型结构具体计算）

说明：本文章思路来源和计算方法来源如下，并添加了个人思路
[1]尹镕基.基于GaN HEMT高效率功率放大器研究与设计[D].云南师范大学,2023.
[2]张少倩.基于谐波调谐的双频高效功率放大器设计[J].电波科学学报,2022,37(01):
[3]“双频功放的偏置电路”，https://blog.csdn.net/kexuedalao/article/details/117426248
一.双频匹配电路思想

双频功放匹配电路通过section1将两个互不相关的复阻抗变换为同一复阻抗或者一对共轭阻抗；通过section2变换为同一实阻抗，消去实部；通过section3将阻抗变换为50Ω。 此处参照文献[2]中的如下结构，将section2中两段终端断路的微带线变为一段终端断路的微带线，其余不变：

二.ADS双频功放仿真实例
参照文献[1]，尝试复现改进其双频功放，指标如下（采用CGH40010F功放管）：

负载牵引的步骤不再赘述，直接上结果：

1.首先进行输入输出匹配电路的设计，相关论文中已经给出了section1，section2部分微带线的特性阻抗和电长度计算公式，计算公式如下图，下文给出其MATLAB代码计算公式：
section1:



section2:

其中section3部分是将1/4波长阻抗变换器等效为π型结构的微带线，下图给出其计算方法，并附上MATLAB运行代码：（关于ZT=25.5Ω怎么得出的，作者是查看了section2微带线后面的阻抗值得出，具体过程看三.注解）

clc;
clear;
Ra=27.53;
Xa=-11.52;
Rb=5.5;
Xb=3.56;
f1=0.61;
f2=2.6;
m=f2/f1;
%前提预设（注意共轭，改变符号！）
Z1=sqrt(Ra*Rb+Xa*Xb+(Xa+Xb)*(Ra*Xb-Rb*Xa)/(Rb-Ra))
n=1;
E1=(n*180+180/3.14*atan(Z1*(Ra-Rb)/(Ra*Xb-Rb*Xa)))/(m+1)
%变为同一复阻抗或共轭阻抗
Zin_1a=Z1*((Ra+1i*Xa)+1i*Z1*tand(E1))/(Z1+1i*(Ra+1i*Xa)*tand(E1));
Zin_1b=Z1*((Rb+1i*Xb)+1i*Z1*tand(m*E1))/(Z1+1i*(Rb+1i*Xb)*tand(m*E1));
Yin_1a=1/Zin_1a;
Yin_1b=1/Zin_1b;
R=1/real(Yin_1a);
n=4;
B=imag(Yin_1b);
E2=(1+n)*pi/(1+m)*(180/pi)
Z2=tand(E2)/B
%变换为同一实阻抗
delta=(f2-f1)/(f2+f1);
ZT=25.5;
thetaT=pi/2;
ZS=ZT/abs(cos(delta*pi/2))
ZP=ZT/sin(delta*pi/2)/tan(delta*pi/2)
thetaS=asin(ZT/ZS)*180/3.14
thetaP=atan(ZP*sqrt(ZS^2-ZT^2)/ZT/ZS)*180/3.14
%1/4波长等效为π型结构

至此得到了输入输出匹配结构，此处查看下2.6GHz的输出匹配情况：


同样是此结构，查看在0.61GHz处的匹配效果：（效果不错）

2.双频偏置结构
对于本文设计的双频带功放而言，由于功放的两个工作频率值较高且高频点约为低频点的四倍，其间隔跨度较大，因此利用电感或四分之一波长线结构设计偏置电路的方法便不再适用，结合上文推导的 π 型结构等效四分之一波长阻抗变换器的原理，此处利用π型结构设计偏置电路，依然可以使用MATLAB代码计算（此处ZT=50,thetaT=pi/2）：


可以看出在 0.61GHz 和 2.6GHz 这两个频点附近正向传输系数 S21 均接近理想值 0dB，即射频通路信号可以近乎没有损耗的通过偏置电路接入点。该偏置电路设计符合所设计功放对偏置电路的需求。
3.整体功放效果



本文双频功放在610MHz实现83%的效率，在2.6GHz实现61%的效率，输出功率均大于40dBm，符合要求。

三.注解
关于ZT=25.5Ω的来源，此处给予解释，由于π型结构等效为1/4波长阻抗变换器，因此需要查看section2微带线后的阻抗大小，以便在史密斯圆图中查看匹配至50Ω的微带线特性阻抗。


实阻抗为13.552Ω，打开史密斯圆图：（可以看到25.5Ω特性阻抗的微带线能够将13.5Ω匹配到50Ω）

个人理解，若有不妥，敬请指出