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(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（2.62 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(hào)波形8 dB 均峰比, 在Netlogic 標(biāo)準(zhǔn)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(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(dòng)力。為了滿足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(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（LTE）在內(nèi)的已經(jīng)被發(fā)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)20 MHz 的信號(hào)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(jì)有10 MHz 和20 MHz 兩種調(diào)制信號(hào)頻寬，前者針對(duì)一個(gè)載波，后者針對(duì)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(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(yù)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(jìn)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(jì)實(shí)施的技術(shù)首選 。
II. GaN 射頻功率器件

本文中的Doherty 放大器中所采用的有源器件，為TriQuint 半導(dǎo)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(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(yùn)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(tǒng)成本簡(jiǎn)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(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(duì)寬帶性能進(jìn)行了優(yōu)化。

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(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/輸出引線除外， 尺寸為5 毫米x 6 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(fù)載牽引測(cè)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(duì)稱Doherty 放大器是一個(gè)非常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(shè)計(jì)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

圖4. 30 毫米 x 70 毫米的Doherty 放大器電路板