用于 LTE 微蜂窝和有源天线系统的小型高效GaN Doherty 放大器

本文介绍有关用于LTE 微蜂窝式与有源天线系统式基站应用的小型高效GaN Doherty 放大器。该Doherty 放大器采用TriQuint 半导体公司开发的T1G6001528-Q3 器件，是一种宽频带的分立GaN 射频功率晶体管。该Doherty 放大器具有以下特征： 在LTE 频率范围（2.62 GHz ~ 2.69 GHz） 、平均输出功率为38.5 dBm、饱和输出功率峰值超过46 dBm、漏电效率超过55%、增益超过15 dB、LTE 两载波 (2x 10 MHz 载波)、 信号波形8 dB 均峰比, 在Netlogic 标准DPD 下、邻信道功率比（ACPR）超过 -50 dBc、放大器大小为30 毫米x 70 毫米。 索引术语 — GaN (氮化镓)、Doherty 放大器、LTE、微蜂窝、有源天线系统、基站。

I.介绍

目前在通讯网络领域，实现较高的数据速率和频谱效率始终是开发新技术的动力。为了满足无线通讯用户越来越严格的较高数据速率和频谱效率的要求，利用一些新的技术, 4G 无线系统包括长期演进技术（LTE）在内的已经被发展 。例如：正交频分多路复用技术（OFDM）和多输入多输出（MIMO），这两种技术具有较高数据速率和频谱效率特征，可以实现20 MHz 的信号频宽、100 Mbps 的下行链路数据速率、50 Mbps 的上行链路数据速率。这种LTE 设计有10 MHz 和20 MHz 两种调制信号频宽，前者针对一个载波，后者针对两个载波。为在降低功率消耗的同时提供一个较高数据速率，微蜂窝式或有源天线系统式基站等各类小型基站，基于LTE 的网络将比W-CDMA (3G) 的网络更频繁地被利用。在这种小尺寸类型的无线基站中, 使用高效率和小型射频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 架构的放大器在功率回退范围（6~10 dB）的高效率性能和与数字预失真（DPD）配合能取得高线性性能, 所以Doherty 放大器配置广泛地被应用于无线基站射频功率放大器 [1]~[2]。虽然现在有一些新的先进技术正在开发无线基站[3]〜～[4]的射频功率放大器，采用Doherty 放大器配置的高功率和高效率射频放大器仍然是最常见的大规模生产的无线基站技术。 由于氮化镓（GaN）射频功率晶体管的高效率和大高功率密度等多种特征，具有支持下一代射频功率器件应用[5]〜～[7]的需要的特性。因此是这种放大器设计实施的技术首选 。

本文中的Doherty 放大器中所采用的有源器件，为TriQuint 半导体公司所开发的T1G6001528-Q3 器件， 它采用高电子迁移率晶体管（HEMT）和SiC HEMT 技术, 是一个宽带分立氮化镓(GaN)产品， 支持28V 的工作电压和DC ~6 GHz 的频率范围 。该器件采用TriQuint 生产的0.25 μm 氮化镓和SiC 工艺，具有在高度漏极偏置运行的情况下使用静电场起电板技术最大化功率和效率的特征。这种优化有可能在简化放大器的阵容，和较低的热管理成本方面, 降低系统成本简化。 如图1 所示，T1G6001528-Q3 器件采用5 毫米总门外设 （total gate periphery）的分立模块，构建于四个1.25 毫米的高电子迁移率晶体管单位晶格。模块贴装与封装接线材型针对宽带性能进行了优化。

图1. T1G6001528-Q3 GaN 晶体管，采用1.25 毫米单位晶格

一般而言，在这种放大器使用的封装设备通常提供18W 的输出功率（P3dB）、线性增益在6 GHz 频率时高于10 dB、在整个宽带中的最大PAE 高于50%。在2.6 GHz 的频率，它的饱和功率大约为25W; 增益约为16 dB; 的最大饱和的效率约为75％。

 图2. T1G6001528-Q3 封装

T1G6001528-Q3 的封装如图2 所示，输入/输出引线除外， 尺寸为5 毫米x 6 毫米。这个小设备的性能来自其高功率密度。小形晶体管是一个能够发展规模较小的Doherty 放大器的关键因素。 该器件还提供如下性能: 28V 的Vd 、100mA 的Idq、 50uS 的脉冲波形功率、10%的功率占空比、2.65 GHz 频率下的负载牵引测量结果如图 3 所示。 本文的Doherty 放大器的设计是基于这种负载牵引数据。

图3. T1G6001528-Q3 负载牵引数据

III. DOHERTY 放大器配置

对称Doherty 放大器是一个非常受欢迎的射频高功率， 高效率，为当代的无线基站配置的放大器。本文中展示的这种放大器，采用两个T1G6001528-Q3 分立封装的高电子迁移率晶体管，其整体大小为30 毫米x 70 毫米，如图4 所示。这种小型尺寸的设计完全满足空间较小的微蜂窝式或有源天线系统式基站的要求。

图4. 30 毫米 x 70 毫米的Doherty 放大器电路板

Doherty 放大器采用Taconic 公司的RF35B 印刷电路板材料，厚度为 16.6 毫米（H）、介电常数 3.66（εr）。 输入区域设计有3dB 的分配器电路，用于分离输入信号并输入到载波放大器（上行路径)和峰值放大器（下行路径）。其中载波放大器的偏压属于AB 类，其静态漏极电流（ Idq）为100 mA；而峰值放大器的偏压属于C 模式。因这两种放大器的运行模式不同，故他们的输出阻抗相异。因此，他们的输出匹配电路稍有差异。 当设计一个Doherty 放大器，理想的设计是Zopt 负载阻抗等于最大的Psat 点，负载阻抗在2* Zopt 等于最高效率点。但由于T1G6001528-Q3 是一个宽带的通用设备， 并非特地针对2.65 GHz 的Doherty 放大器而设计，而且其最大效率点不在其最大饱和功率的2：1 电压驻波比（VSWR）圆上。当我们在设计这个Doherty 放大器，我们不得不妥协在 Zopt 和2* Zopt 的负载阻抗。这意味着这意味着Zopt 阻抗负载不在最大饱和功率点上，2* Zopt 阻抗负载不在最大效率点上。 IV. DOHERTY 放大器性能 如图3 所示，采用T1G6001528-Q3 器件的Doherty 放大器，在多种信号波形下进行了详细测试，证明其性能满足要求基站应用。 如图5 所示，AM/AM 和AM/PM 曲线，这是DPD 校正性能的一个关键参数。在一个典型的一般LDMOS 器件Doherty 放大器，当输入功率的增加，相位单调下降，这将降低DPD 校正性能。但此采用T1G6001528-Q3 放大器， 输入电源的相位变化是完全不同的，有利于DPD 的校正。 如图6 所示，PAR 及效率随输出功率的变化, 频率为2.65 GHz，WCDMA 信号在0. 01% CCDF 时的 PAR 为10.2 dB。 如图7 所示， LTE 高功率性能, 在2.62 GHz ～2.69 GHz 之间，量测的信号为WCDMA 波形，测试数据为38 dBm 的平均输出功率，计算的饱和功率采用平均输出功率加上PAR 值。从本图中可以看出，在标准 LTE 频率范围（2620 MHz ~2690 MHz）内，如果平均输出功率为38 dBm， 输出效率超过55%。 根据现代基站的设计，射频功率放大器的输出功率 要求因不同特定地域的电话呼叫用户的数量不同而显现差异。这种要求我们称之为“流量管制”。 一般而言，为使基站保持高效运行，需要调整射频功率放大器的工作电压， 以实现不同的输出功率，并要求基站射频功率放大器能够在工作电压变化时提供稳定的效率。如图8 所示，漏极电压范围为24V ~ 32V，采用同样的WCDMA 波形和 PAR （7.5 dB），效率与平均输出功率电压的变化 。

图 5. AM/AM 与AM/PM

Fig. 6 输出功率的参数范围与效率变化

图7. 频率范围以外的Psat、 效率、增益变化

图 8. 漏极电压的效率与功率输出变化

为满足基站高效运营的要求，大多数射频功率放大器需要采用数字预失真（DPD）技术，以获得线性性能，其功率放大器的邻信道功率比是这种性能的体现。因此，对于当前使用的基站射频功率放大器而言，数字预失真纠正性能显得至关重要。为了证实这种Doherty 放大器在这方面的效果，本文特此采用了 Netlogic 公司的标准数字预失真纠正系统，在有两个LTE 的20 MHz 信号宽带的载波环境（0.01%，CCDF 值时的PAR 为8 dB）下进行测试。测量的频率2.65 GHz，输出功率为 38.5 dBm，邻信道功率比的性能如图9 所示。DPD 校正之后，邻信道功率比达到- 50 dBc 以上。

图 9. DPD 性能的邻信道功率比

V. 总结

本文讲述了有关2.6 GHz GaN Doherty 放大器的一些特征：38.5 dBm 的平均输出功率、标准 LTE 频率（2.62 GHz ~ 2.69 GHz）范围、漏极效率高于55%、增益高于15 dB、两个宽带频率为20 MHz 和PAR 为8 dB 范围的LTE 载波信号、用数字预失真技术之后的邻信道功率比达到- 50dBc 以上、Doherty 放大器大小为30 毫米x 70 毫米、在基站放大器中结合高效率和小型设计以使用氮化镓晶体管， 在基于 LTE 的微蜂窝基站和有源天线阵列系统设计上发挥重要作用。

鸣谢

为了本项目的初步评估，TriQuint 半导体公司国防产品和代工服务业务单元给予大力支持，提供负载牵引装置、氮化镓晶体管以及其它各种资源，并委派 Jeff Gengler 先生协助进行DPD 测试，为此，本文作者表示衷心的感谢。

参考文献

[1] Steve C Cripps, “RF Power Amplifier for Wireless Communication”, Norwood, MA, Artech House, 1999. [2] Frederick H. Raab, et al., “Power Amplifier and Transmitter for RF and Microwave”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 50 pp. 814-826, March 2002 [3] D. Kimball, et al., “High Efficiency WCDMA Envelope Tracking Base-Station Amplifier Implemented with GaAs HVHBTs”, 2008 IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Digest. [4] I, Kim, et al., “Envelope Injection Consideration of High Power Hybrid EER Transmitter for IEEE 802.16 Mobile WiMAX Application”, 2008 IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Digest . [5] H. Deguchi, et al., “A 33W GaN HEMT Doherty Amplifier with 55% Drain Efficiency for 2.6GHz Base Stations”, 2010 IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Digest. [6] H. Sano, et al., “A 40W GaN HEMT Doherty Power Amplifier with 48% Efficiency for WiMAX Application”, 2007 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium Digest. [7] N. Yoshimura, et al., “A 2.5-2.7GHz Broadband 40W GaN HEMT Doherty amplifier with higher than 45% drain efficiency for multi-band applications”, 2012 IEEE Topical Conference on Power Amplifiers for Wireless and Radio Applications.

作者：夏堬先生和Milos Jankovic 先生
TriQuint 半导体公司，500 W Renner Road, Richardson, TX , 75080, USA