用于 LTE 微蜂窩和有源天線系統的小型高效GaN Doherty 放大器

本文介紹有關用于LTE 微蜂窩式與有源天線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 半導體公司開發的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。 索引術語 — GaN (氮化鎵)、Doherty 放大器、LTE、微蜂窩、有源天線系統、基站。

I.介紹

目 前在通訊網絡領域，實現較高的數據速率和頻譜效率始終是開發新技術的動力。為了滿足無線通訊用戶越來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, 4G 無線系統包括長期演進技術(LTE)在內的已經被發展 。例如：正交頻分多路復用技術(OFDM)和多輸入多輸出(MIMO)，這兩種技術具有較高數據速率和頻譜效率特征，可以實現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據速率，微蜂窩式或有源天線系統式基站等各類小型基站，基 于LTE 的網絡將比W-CDMA (3G) 的網絡更頻繁地被利用。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)配合能取得高線性性能, 所以Doherty 放大器配置廣泛地被應用于無線基站射頻功率放大器 [1]~[2]。雖然現在有一些新的先進技術正在開發無線基站[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模生產的無線基站技術。 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 設計實施的技術首選 。

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半導體公司所開發的T1G6001528-Q3 器件， 它采用高電子遷移率晶體管(HEMT)和SiC HEMT 技術, 是一個寬帶分立氮化鎵(GaN)產品， 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最大化功率和效率的特征。這種優化有可能在簡化放大器的陣容，和較低的熱管理成本方面, 降低系統成本簡化。 如圖1 所示，T1G6001528-Q3 器件采用5 毫米總門外設 (total gate periphery)的分立模塊，構建于四個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。這個小設備的性能來自其高功率密度。小形晶體管是一個能夠發展規模較小的Doherty 放大器的關鍵因素。 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。這種小型尺寸的設計完全滿足空間較小的微蜂窩式或有源天線系統式基站的要求。

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AB 類，其靜態漏極電流( 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Doherty 放大器，理想的設計是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Doherty 放大器，我們不得不妥協在 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用。 如圖5 所示，AM/AM 和AM/PM 曲線，這是DPD 校正性能的一個關鍵參數。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呼叫用戶的數量不同而顯現差異。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，需要調整射頻功率放大器的工作電壓， 以實現不同的輸出功率，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 。