【無(wú)線(xiàn)射頻芯片】-用于 LTE 微蜂窩和有源天線(xiàn)系統(tǒng)的小型高效GaN Doherty 放大器

1/1用于LTE微蜂窩和有源天線(xiàn)系統(tǒng)的小型高效GaNDoherty放大器本文介紹有關(guān)用于LTE微蜂窩式與有源天線(xiàn)系統(tǒng)式基站應(yīng)用的小型高效GaNDoherty放大器。該Doherty放大器采納TriQuint半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)的T1G6001528-Q3器件，是一種寬頻帶的分立GaN射頻功率晶體管。該Doherty放大器具有以下特征：在LTE頻率范圍（2.62GHz~2.69GHz）、平均輸出功率為38.5dBm、飽和輸出功率峰值超過(guò)46dBm、漏電效率超過(guò)55%、增益超過(guò)15dB、LTE兩載波(2x10MHz載波)、信號(hào)波形8dB均峰比,在Netlogic標(biāo)準(zhǔn)DPD下、鄰信道功率比（ACPR）超過(guò)-50dBc、放大器大小為30毫米x70毫米。索引術(shù)語(yǔ)GaN(氮化鎵)、Doherty放大器、LTE、微蜂窩、有源天線(xiàn)系統(tǒng)、基站。

I.介紹

目前在通訊網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率和頻譜效率始終是開(kāi)發(fā)新技術(shù)的動(dòng)力。為了滿(mǎn)意無(wú)線(xiàn)通訊用戶(hù)越來(lái)越嚴(yán)格的較高數(shù)據(jù)速率和頻譜效率的要求，利用一些新的技術(shù),4G無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)包括長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（LTE）在內(nèi)的已經(jīng)被進(jìn)展。例如：正交頻分多路復(fù)用技術(shù)（OFDM）和多輸入多輸出（MIMO），這兩種技術(shù)具有較高數(shù)據(jù)速率和頻譜效率特征，可以實(shí)現(xiàn)20MHz的信號(hào)頻寬、100Mbps的下行鏈路數(shù)據(jù)速率、50Mbps的上行鏈路數(shù)據(jù)速率。這種LTE設(shè)計(jì)有10MHz和20MHz兩種調(diào)制信號(hào)頻寬，前者針對(duì)一個(gè)載波，后者針對(duì)兩個(gè)載波。為在降低功率消耗的同時(shí)供應(yīng)一個(gè)較高數(shù)據(jù)速率，微蜂窩式或有源天線(xiàn)系統(tǒng)式基站等各類(lèi)小型基站，基于LTE的網(wǎng)絡(luò)將比W-CDMA(3G)的網(wǎng)絡(luò)更頻繁地被利用。在這種小尺寸類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)基站中,使用高效率和小型射頻功率放大器是必要的，以供應(yīng)具有最大成本效益的性能。由于Doherty架構(gòu)的放大器在功率回退范圍（6~10dB）的高效率性能和與數(shù)字預(yù)失真（DPD）協(xié)作能取得高線(xiàn)性性能,所以Doherty放大器配置廣泛地被應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)基站射頻功率放大器[1]~[2]。雖然現(xiàn)在有一些新的先進(jìn)技術(shù)正在開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)基站[3]?～[4]的射頻功率放大器，采納Doherty放大器配置的高功率和高效率射頻放大器仍舊是最常見(jiàn)的大規(guī)模生產(chǎn)的無(wú)線(xiàn)基站技術(shù)。由于氮化鎵（GaN）射頻功率晶體管的高效率和大高功率密度等多種特征，具有支持下一代射頻功率器件應(yīng)用[5]?～[7]的需要的特性。因此是這種放大器設(shè)計(jì)實(shí)施的技術(shù)首選。

II.GaN射頻功率器件

本文中的Doherty放大器中所采納的有源器件，為T(mén)riQuint半導(dǎo)體公司所開(kāi)發(fā)的T1G6001528-Q3器件，它采納高電子遷移率晶體管（HEMT）和SiCHEMT技術(shù),是一個(gè)寬帶分立氮化鎵(GaN)產(chǎn)品，支持28V的工作電壓和DC~6GHz的頻率范圍。該器件采納TriQuint生產(chǎn)的0.25m氮化鎵和SiC工藝，具有在高度漏極偏置運(yùn)行的狀況下使用靜電場(chǎng)起電板技術(shù)最大化功率和效率的特征。這種優(yōu)化有可能在簡(jiǎn)化放大器的陣容，和較低的熱管理成本方面,降低系統(tǒng)成本簡(jiǎn)化。如圖1所示，T1G6001528-Q3器件采納5毫米總門(mén)外設(shè)（totalgateperiphery）的分立模塊，構(gòu)建于四個(gè)1.25毫米的高電子遷移率晶體管單位晶格。模塊貼裝與封裝接線(xiàn)材型針對(duì)寬帶性能進(jìn)行了優(yōu)化。

圖1.T1G6001528-Q3GaN晶體管，采納1.25毫米單位晶格

一般而言，在這種放大器使用的封裝設(shè)備通常供應(yīng)18W的輸出功率（P3dB）、線(xiàn)性增益在6GHz頻率時(shí)高于10dB、在整個(gè)寬帶中的最大PAE高于50%。在2.6GHz的頻率，它的飽和功率大約為25W;增益約為16dB;的最大飽和的效率約為75％。

圖2.T1G6001528-Q3封裝

T1G6001528-Q3的封裝如圖2所示，輸入/輸出引線(xiàn)除外，尺寸為5毫米x6毫米。這個(gè)小設(shè)備的性能來(lái)自其高功率密度。小形晶體管是一個(gè)能夠進(jìn)展規(guī)模較小的Doherty放大器的關(guān)鍵因素。該器件還供應(yīng)如下性能:28V的Vd、100mA的Idq、50uS的脈沖波形功率、10%的功率占空比、2.65GHz頻率下的負(fù)載牽引測(cè)量結(jié)果如圖3所示。本文的Doherty放大器的設(shè)計(jì)是基于這種負(fù)載牽引數(shù)據(jù)。

圖3.T1G6001528-Q3負(fù)載牽引數(shù)據(jù)

III.DOHERTY放大器配置

對(duì)稱(chēng)Doherty放大器是一個(gè)特別受歡迎的射頻高功率，高效率，為當(dāng)代的無(wú)線(xiàn)基站配置的放大器。本文中展現(xiàn)的這種放大器，采納兩個(gè)T1G6001528-Q3分立封裝的高電子遷移率晶體管，其整體大小為30毫米x70毫米，如圖4所示。這種小型尺寸的設(shè)計(jì)完全滿(mǎn)意空間較小的微蜂窩式或有源天線(xiàn)系統(tǒng)式基站的要求。

圖4.30毫米x70毫米的Doherty放大器電路板

Doherty放大器采納Taconic公司的RF35B印刷電路板材料，厚度為16.6毫米（H）、介電常數(shù)3.66（r）。輸入?yún)^(qū)域設(shè)計(jì)有3dB的安排器電路，用于分別輸入信號(hào)并輸入到載波放大器（上行路徑)和峰值放大器（下行路徑）。其中載波放大器的偏壓屬于A(yíng)B類(lèi)，其靜態(tài)漏極電流（Idq）為100mA；而峰值放大器的偏壓屬于C模式。因這兩種放大器的運(yùn)行模式不同，故他們的輸出阻抗相異。因此，他們的輸出匹配電路稍有差異。當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)Doherty放大器，抱負(fù)的設(shè)計(jì)是Zopt負(fù)載阻抗等于最大的Psat點(diǎn)，負(fù)載阻抗在2*Zopt等于最高效率點(diǎn)。但由于T1G6001528-Q3是一個(gè)寬帶的通用設(shè)備，并非特地針對(duì)2.65GHz的Doherty放大器而設(shè)計(jì)，而且其最大效率點(diǎn)不在其最大飽和功率的2：1電壓駐波比（VSWR）圓上。當(dāng)我們?cè)谠O(shè)計(jì)這個(gè)Doherty放大器，我們不得不妥協(xié)在Zopt和2*Zopt的負(fù)載阻抗。這意味著這意味著Zopt阻抗負(fù)載不在最大飽和功率點(diǎn)上，2*Zopt阻抗負(fù)載不在最大效率點(diǎn)上。IV.DOHERTY放大器性能如圖3所示，采納T1G6001528-Q3器件的Doherty放大器，在多種信號(hào)波形下進(jìn)行了具體測(cè)試，證明其性能滿(mǎn)意要求基站應(yīng)用。如圖5所示，AM/AM和AM/PM曲線(xiàn)，這是DPD校正性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在一個(gè)典型的一般LDMOS器件Doherty放大器，當(dāng)輸入功率的增加，相位單調(diào)下降，這將降低DPD校正性能。但此采納T1G6001528-Q3放大器，輸入電源的相位變化是完全不同的，有利于DPD的校正。如圖6所示，PAR及效率隨輸出功率的變化,頻率為2.65GHz，WCDMA信號(hào)在0.01%CCDF時(shí)的PAR為10.2dB。如圖7所示，LTE高功率性能,在2.62GHz～2.69GHz之間，量測(cè)的信號(hào)為WCDMA波形，測(cè)試數(shù)據(jù)為38dBm的平均輸出功率，計(jì)算的飽和功率采納平均輸出功率加上PAR值。從本圖中可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)LTE頻率范圍（2620MHz~2690MHz）內(nèi)，假如平均輸出功率為38dBm，輸出效率超過(guò)55%。依據(jù)現(xiàn)代基站的設(shè)計(jì)，射頻功率放大器的輸出功率要求因不同特定地域的電話(huà)呼叫用戶(hù)的數(shù)量不同而顯現(xiàn)差異。這種要求我們稱(chēng)之為"流量管制'。一般而言，為使基站保持高效運(yùn)行，需要調(diào)整射頻功率放大器的工作電壓，以實(shí)現(xiàn)不同的輸出功率，并要求基站射頻功率放大器能夠在工作電壓變化時(shí)供應(yīng)穩(wěn)定的效率。如圖8所示，漏極電壓范圍為24V~32V，采納同樣的WCDMA波形和PAR（7.5dB），效率與平均輸出功率電壓的變化。

圖5.AM/AM與AM/PM

Fig.6輸出功率的參數(shù)范圍與效率變化

圖7.頻率范圍以外的Psat、效率、增益變化

圖8.漏極電壓的效率與功率輸出變化

為滿(mǎn)意基站高效運(yùn)營(yíng)的要求，大多數(shù)射頻功率放大器需要采納數(shù)字預(yù)失真（DPD）技術(shù)，以獲得線(xiàn)性性能，其功率放大器的鄰信道功率比是這種性能的體現(xiàn)。因此，對(duì)于當(dāng)前使用的基站射頻功率放大器而言，數(shù)字預(yù)失真訂正性能顯得至關(guān)重要。為了證明這種Doherty放大器在這方面的效果，本文特此采納了Netlogic公司的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字預(yù)失真訂正系統(tǒng)，在有兩個(gè)LTE的20MHz信號(hào)寬帶的載波環(huán)境（0.01%，CCDF值時(shí)的PAR為8dB）下進(jìn)行測(cè)試。測(cè)量的頻率2.65GHz，輸出功率為38.5dBm，鄰信道功率比的性能如圖9所示。DPD校正之后，鄰信道功率比達(dá)到-50dBc以上。

圖9.DPD性能的鄰信道功率比

V.總結(jié)

本文敘述了有關(guān)2.6GHzGaNDoherty放大器的一些特征：38.5dBm的平均輸出功率、標(biāo)準(zhǔn)LTE頻率（2.62GHz~2.69GHz）范圍、漏極效率高于55%、增益高于15dB、兩個(gè)寬帶頻率為20MHz和PAR為8dB范圍的LTE載波信號(hào)、用數(shù)字預(yù)失真技術(shù)之后的鄰信道功率比達(dá)到-50dBc以上、Do