用于 LTE 微蜂窩和有源天線(xiàn)系統的小型高效GaN Doherty 放大器

本文介紹有關(guān)用于LTE 微蜂窩式與有源天線(xiàn)系統式基站應用的小型高效GaN Doherty 放大器。該Doherty 放大器采用TriQuint 半導體公司開(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(2.62 GHz ~ 2.69 GHz) 、平均輸出功率為38.5 dBm、飽和輸出功率峰值超過(guò)46 dBm、漏電效率超過(guò)55%、增益超過(guò)15 dB、LTE 兩載波 (2x 10 MHz 載波)、 信號波形8 dB 均峰比, 在Netlogic 標準DPD 下、鄰信道功率比(ACPR)超過(guò) -50 dBc、放大器大小為30 毫米x 70 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、基站。

I.介紹

目 前在通訊網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域，實(shí)現較高的數據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)足無(wú)線(xiàn)通訊用戶(hù)越來(lái)越嚴格的較高數據速率和頻譜效率的要求，利用一些新的 技術(shù), 4G 無(wú)線(xiàn)系統包括長(cháng)期演進(jìn)技術(shù)(LTE)在內的已經(jīng)被發(fā)展 。例如：正交頻分多路復用技術(shù)(OFDM)和多輸入多輸出(MIMO)，這兩種技術(shù)具有較高數據速率和頻譜效率特征，可以實(shí)現20 MHz 的信號頻寬、100 Mbps 的下行鏈路數據速率、50 Mbps 的上行鏈路數據速率。這種LTE 設計有10 MHz 和20 MHz 兩種調制信號頻寬，前者針對一個(gè)載波，后者針對兩個(gè)載波。為在降低功率消耗的同時(shí)提供一個(gè)較高數據速率，微蜂窩式或有源天線(xiàn)系統式基站等各類(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，以提供具有最大成本效益的性能。 由于Doherty 架構的放大器在功率回退范圍(6~10 dB)的高效率性能和與數字預失真(DPD)配合能取得高線(xiàn)性性能, 所以Doherty 放大器配置廣泛地被應用于無(wú)線(xiàn)基站射頻功率放大器 [1]~[2]。雖然現在有一些新的先進(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，采用Doherty 放大器配置的高功率和高效率射頻放大器仍然是最常見(jiàn)的大規模生產(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用[5]～[7]的需要的特性。因此是這種放大器 設計實(shí)施的技術(shù)首選 。

II. GaN 射頻功率器件

本文中的Doherty 放大器中所采用的有源器件，為T(mén)riQuint半導體公司所開(kāi)發(fā)的T1G6001528-Q3 器件， 它采用高電子遷移率晶體管(HEMT)和SiC HEMT 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 ~6 GHz 的頻率范圍 。該器件采用TriQuint 生產(chǎn)的0.25 μm 氮化鎵和SiC 工藝，具有在高度漏極偏置運行的情況下使用靜電場(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, 降低系統成本簡(jiǎn)化。 如圖1 所示，T1G6001528-Q3 器件采用5 毫米總門(mén)外設 (total gate periphery)的分立模塊，構建于四個(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)材型針對寬帶性能進(jìn)行了優(yōu)化。

圖1. T1G6001528-Q3 GaN 晶體管，采用1.25 毫米單位晶格

一般而言，在這種放大器使用的封裝設備通常提供18W 的輸出功率(P3dB)、線(xiàn)性增益在6 GHz 頻率時(shí)高于10 dB、在整個(gè)寬帶中的最大PAE 高于50%。在2.6 GHz 的頻率，它的飽和功率大約為25W; 增益約為16 dB; 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x 6 毫米。這個(gè)小設備的性能來(lái)自其高功率密度。小形晶體管是一個(gè)能夠發(fā)展規模較小的Doherty 放大器的關(guān)鍵因素。 該器件還提供如下性能: 28V 的Vd 、100mA 的Idq、 50uS 的脈沖波形功率、10%的功率占空比、2.65 GHz 頻率下的負載牽引測量結果如圖 3 所示。 本文的Doherty 放大器的設計是基于這種負載牽引數據。

圖3. T1G6001528-Q3 負載牽引數據

III. DOHERTY 放大器配置

對稱(chēng)Doherty 放大器是一個(gè)非常受歡迎的射頻高功率， 高效率，為當代的無(wú)線(xiàn)基站配置的放大器。本文中展示的這種放大器，采用兩個(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x 70 毫米，如圖4 所示。這種小型尺寸的設計完全滿(mǎn)足空間較小的微蜂窩式或有源天線(xiàn)系統式基站的要求。

圖4. 30 毫米 x 70 毫米的Doherty 放大器電路板

Doherty 放大器采用Taconic 公司的RF35B 印刷電路板材料， 厚度為 16.6 毫米(H)、介電常數 3.66(εr)。 輸入區域設計有3dB 的分配器電路，用于分離輸入信號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100 mA;而峰值放大器的偏壓屬于C 模式。因這兩種放大器的運行模式不同，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。 當設計一個(gè)Doherty 放大器，理想的設計是Zopt 負載阻抗等于最大的Psat 點(diǎn)，負載阻抗在2* Zopt 等于最高效率點(diǎn)。但由于T1G6001528-Q3 是一個(gè)寬帶的通用設備， 并非特地針對2.65 GHz 的Doherty 放大器而設計，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。

當我們在設計這個(gè)Doherty 放大器，我們不得不妥協(xié)在 Zopt 和2* Zopt 的負載阻抗。這意味著(zhù)這意味著(zhù)Zopt 阻抗負載不在最大飽和功率點(diǎn)上，2* Zopt 阻抗負載不在最大效率點(diǎn)上。 IV. DOHERTY 放大器性能 如圖3 所示，采用T1G6001528-Q3 器件的Doherty 放大器，在多種信號波形下進(jìn)行了詳細測試，證明其性能滿(mǎn)足要求基站應用。 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。在一個(gè)典型的一般LDMOS 器件Doherty 放大器，當輸入功率的增加，相位單調下降，這將降低DPD 校正性能。但此采用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2.65 GHz，WCDMA 信號在0. 01% CCDF 時(shí)的 PAR 為10.2 dB。 如圖7 所示， LTE 高功率性能, 在2.62 GHz ～2.69 GHz 之間，量測的信號為WCDMA 波形，測試數據為38 dBm 的平均輸出功率，計算的飽和功率采用平均輸出功率加上PAR 值。從本圖中可以看出，在標準 LTE 頻率范圍(2620 MHz ~2690 MHz)內，如果平均輸出功率為38 dBm， 輸出效率超過(guò)55%。

根據現代基站的設計，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)的數量不同而顯現差異。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行，需要調整射頻功率放大器的工作電壓， 以實(shí)現不同的輸出功率，并要求基站射頻功率放大器能夠在工作電壓變化時(shí)提供穩定的效率。如圖8 所示，漏極電壓范圍為24V ~ 32V，采用同樣的WCDMA 波形和 PAR (7.5 dB)，效率與平均輸出功率電壓的變化 。