用于 LTE 微蜂窩和有源天線系統(tǒng)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系統(tǒng)式基站應(yīng)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46 dBm、漏電效率超過55%、增益超過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 -50 dBc、放大器大小為30 毫米x 70 毫米。 索引術(shù)語 — GaN (氮化鎵)、Doherty 放大器、LTE、微蜂窩、有源天線系統(tǒng)、基站。

I.介紹

目 前在通訊網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率和頻譜效率始終是開發(fā)新技術(shù)的動力。為了滿足無線通訊用戶越來越嚴格的較高數(shù)據(jù)速率和頻譜效率的要求，利用一些新的 技術(shù), 4G 無線系統(tǒng)包括長期演進技術(shù)(LTE)在內(nèi)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(shù)據(jù)速率和頻譜效率特征，可以實現(xiàn)20 MHz 的信號頻寬、100 Mbps 的下行鏈路數(shù)據(jù)速率、50 Mbps 的上行鏈路數(shù)據(jù)速率。這種LTE 設(shè)計有10 MHz 和20 MHz 兩種調(diào)制信號頻寬，前者針對一個載波，后者針對兩個載波。為在降低功率消耗的同時提供一個較高數(shù)據(jù)速率，微蜂窩式或有源天線系統(tǒng)式基站等各類小型基站，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。在這種小尺寸類型的無線基站中, 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(gòu)的放大器在功率回退范圍(6~10 dB)的高效率性能和與數(shù)字預失真(DPD)配合能取得高線性性能, 所以Doherty 放大器配置廣泛地被應(yīng)用于無線基站射頻功率放大器 [1]~[2]。雖然現(xiàn)在有一些新的先進技術(shù)正在開發(fā)無線基站[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的大規(guī)模生產(chǎn)的無線基站技術(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)計實施的技術(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TriQuint半導體公司所開發(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)成本簡化。 如圖1 所示，T1G6001528-Q3 器件采用5 毫米總門外設(shè) (total gate periphery)的分立模塊，構(gòu)建于四個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材型針對寬帶性能進行了優(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(shè)備通常提供18W 的輸出功率(P3dB)、線性增益在6 GHz 頻率時高于10 dB、在整個寬帶中的最大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/輸出引線除外， 尺寸為5 毫米x 6 毫米。這個小設(shè)備的性能來自其高功率密度。小形晶體管是一個能夠發(fā)展規(guī)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(jié)果如圖 3 所示。 本文的Doherty 放大器的設(shè)計是基于這種負載牽引數(shù)據(jù)。

圖3. T1G6001528-Q3 負載牽引數(shù)據(jù)

III. DOHERTY 放大器配置

對稱Doherty 放大器是一個非常受歡迎的射頻高功率， 高效率，為當代的無線基站配置的放大器。本文中展示的這種放大器，采用兩個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(shè)計完全滿足空間較小的微蜂窩式或有源天線系統(tǒng)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(shù) 3.66(εr)。 輸入?yún)^(qū)域設(shè)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AB 類，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(shè)計一個Doherty 放大器，理想的設(shè)計是Zopt 負載阻抗等于最大的Psat 點，負載阻抗在2* Zopt 等于最高效率點。但由于T1G6001528-Q3 是一個寬帶的通用設(shè)備， 并非特地針對2.65 GHz 的Doherty 放大器而設(shè)計，而且其最大效率點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(shè)計這個Doherty 放大器，我們不得不妥協(xié)在 Zopt 和2* Zopt 的負載阻抗。這意味著這意味著Zopt 阻抗負載不在最大飽和功率點上，2* Zopt 阻抗負載不在最大效率點上。 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行了詳細測試，證明其性能滿足要求基站應(yīng)用。 如圖5 所示，AM/AM 和AM/PM 曲線，這是DPD 校正性能的一個關(guān)鍵參數(shù)。在一個典型的一般LDMOS 器件Doherty 放大器，當輸入功率的增加，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(shù)據(jù)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(nèi)，如果平均輸出功率為38 dBm， 輸出效率超過55%。

根據(jù)現(xiàn)代基站的設(shè)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呼叫用戶的數(shù)量不同而顯現(xiàn)差異。這種要求我們稱之為“流量管制”。 一般而言，為使基站保持高效運行，需要調(diào)整射頻功率放大器的工作電壓， 以實現(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提供穩(wěn)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 。