一种用于 LTE 微蜂窝和有源天线系统的 小型高效 GaN Doherty 功率放大器 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 邮件地址：[email protected] 摘要 — 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 。 II. GaN 射频功率器件 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％。 Bias Vgs≈-‐3.7V Carrier amplifier Idq=100mA T1G6001528-‐Q3 28V Vds RF out RF in 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。 Bias Vgs=-‐5V Peaking amplifier T1G6001528-‐Q3 28V Vds 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 图 3. T1G6001528-Q3 负载牵引数据 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。 III. DOHERTY 放大器配置 如图 5 所示，AM/AM 和 AM/PM 曲线，这是 DPD 校 对称 Doherty 放大器是一个非常受欢迎的射频高功率， 正性能的一个关键参数。在一个典型的一般 LDMOS 器件 高效率，为当代的无线基站配置的放大器。本文中展示的 Doherty 放大器，当输入功率的增加，相位单调下降，这 这种放大器，采用两个 T1G6001528-Q3 分立封装的高电 将降低 DPD 校正性能。但此采用 T1G6001528-Q3 放大器， 子迁移率晶体管，其整体大小为 30 毫米 x 70 毫米，如图 输入电源的相位变化是完全不同的，有利于 DPD 的校正。 4 所示。这种小型尺寸的设计完全满足空间较小的微蜂窝 如图 6 所示，PAR 及效率随输出功率的变化, 频率为 式或有源天线系统式基站的要求。 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 130 16 128 Gain 20 58 19 Eff 56 15 Gain 48 13 13 122 Phase(° ) 124 11 11 10 2630 2640 2650 2660 2670 2680 2690 Frequency ( MHz ) AM/PM 图 7. 频率范围以外的 Psat、 效率、增益变化 118 116 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 T1G6001528 Doherty Eff and Pout @7.5dB OBO vs Drain Voltage 1C-‐WCDMA , 10.2dB PAR at 0.01%CCDF Pin( dBm) 40 60 39.5 59 39 58 38.5 57 38 56 37.5 55 37 54 60 36.5 53 56 36 52 52 35.5 51 48 35 Pout (dBm) 图 5. AM/AM 与 AM/PM 15 Output_PAR(dB) 13 11 44 40 9 36 32 7 Efficiency ( % ) T1G6001528 Doherty Output PAR and Efficiency vs. Pout 1C-‐WCDMA , 10.2dB PAR at 0.01%CCDF Efficiency (%) 10 12 Psat 14 120 14 46 40 2620 Phase 17 16 50 42 12 18 52 44 AM/AM Psat Eff Gain 54 126 15 Gain(dB) 60 Gain ( dB ) 2.65GHz AM/AM & AM/PM 17 WCDMA Performance 1C WCDMA , 10.2dB PAR at 0.01%CCDF Psat ( dBm) & Eff ( % ) 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 。 50 24 26 28 Drain Voltage (V) 30 32 图 8. 漏极电压的效率与功率输出变化 28 24 5 20 30 31 32 33 34 35 36 37 Pout (dBm ) Fig. 6 输出功率的参数范围与效率变化 38 39 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。 鸣谢 T1G6001528 Doherty Linearity 2C 0110 10MHz LTE, 8dB PAR at 0.01%CCDF, 2650MHz -‐20 60 -‐30 55 -‐35 50 Eff -‐40 -‐45 -‐50 After DPD 45 Eff ( % ) ACPR (dBc) -‐25 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。 65 Before DPD 参考文献 40 35 [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 -‐60 25 RF and Microwave”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 33 34 35 36 37 38 39 Vol. 50 pp. 814-826, March 2002 Pout (dBm) [3] D. Kimball, et al., “High Efficiency WCDMA Envelope Tracking Base-Station Amplifier Implemented with GaAs HVHBTs”, 2008 IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium 图 9. DPD 性能的邻信道功率比 Digest. [4] I, Kim, et al., “Envelope Injection Consideration of High Power Hybrid EER Transmitter for IEEE 802.16 Mobile WiMAX V. 总结 Application”, 2008 IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Digest . 本文讲述了有关 2.6 GHz GaN Doherty 放大器的一些 [5] H. Deguchi, et al., “A 33W GaN HEMT Doherty Amplifier with 特征：38.5 dBm 的平均输出功率、标准 LTE 频率（2.62 55% Drain Efficiency for 2.6GHz Base Stations”, 2010 IEEE GHz ~ 2.69 GHz）范围、漏极效率高于 55%、增益高于 15 MTT-S Int. Microwave Symposium Digest. dB、两个宽带频率为 20 MHz 和 PAR 为 8 dB 范围的 LTE [6] H. Sano, et al., “A 40W GaN HEMT Doherty Power Amplifier with 48% Efficiency for WiMAX Application”, 2007 IEEE 载波信号、用数字预失真技术之后的邻信道功率比达到Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium 50dBc 以上、Doherty 放大器大小为 30 毫米 x 70 毫米、在 Digest. 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， [7] N. Yoshimura, et al., “A 2.5-2.7GHz Broadband 40W GaN 在基于 LTE 的微蜂窝基站和有源天线阵列系统设计上发 HEMT Doherty amplifier with higher than 45% drain efficiency 挥重要作用。 for multi-band applications”, 2012 IEEE Topical Conference on Power Amplifiers for Wireless and Radio Applications. -‐55 30 .