【無線射頻芯片】-用于 LTE 微蜂窩和有源天線系統(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46dBm、漏電效率超過55%、增益超過15dB、LTE兩載波(2x10MHz載波)、信號波形8dB均峰比,在Netlogic標(biāo)準(zhǔn)DPD下、鄰信道功率比（ACPR）超過-50dBc、放大器大小為30毫米x70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(shí)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。為了滿意無線通訊用戶越來越嚴(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無線系統(tǒng)包括長期演進(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)供應(yīng)一個(gè)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(jìn)技術(shù)正在開發(fā)無線基站[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(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TriQuint半導(dǎo)體公司所開發(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器件采納5毫米總門外設(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材型針對寬帶性能進(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/輸出引線除外，尺寸為5毫米x6毫米。這個(gè)小設(shè)備的性能來自其高功率密度。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

對稱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)代的無線基站配置的放大器。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)完全滿意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)我們在設(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，在多種信號波形下進(jìn)行了具體測試，證明其性能滿意要求基站應(yīng)用。如圖5所示，AM/AM和AM/PM曲線，這是DPD校正性能的一個(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，量測的信號為WCDMA波形，測試數(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(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

為滿意基站高效運(yùn)營的要求，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信號寬帶的載波環(huán)境（0.01%，CCDF值時(shí)的PAR為8dB）下進(jìn)行測試。測量的頻率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、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