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基于0.25 μm GaN工艺3.4-3.6 GHz Doherty高效率功率放大器

2020-10-12童伟王测天羊洪轮邬海峰林倩

数码世界 2020年9期
关键词:高效率

童伟 王测天 羊洪轮 邬海峰 林倩

摘要:本文介绍了一种基于0.25 μm GaN工艺的3.4–3.6 GHz Doherty功率放大器。为实现高功率增益和高回退效率,该功率放大器采用双级放大结构,并且驱动级采用AB类放大器,末级采用高效率Doherty架构。其中Doherty放大器由主路和辅路构成,为了实现更大回退范围的高效率指标,主路和辅路功放采用1:1.5的功率分配结构。在3.4-3.6 GHz频带范围内,该放大器输入输出驻波均小于-15 dB,饱和输出功率大于45.8 dBm,功率回退8 dB时,效率大于52%。该放大器在5G移动通信系统中,具有广泛的市场应用前景。

关键词:GaN  Doherty  高效率  功率放大器

1 引言

随着无线移动通信技术的发展,5G无线通信逐步实现商用。其中sub 6 GHz应用(低于6 GHz的部分),将是5G当前的主流应用频段范围的解决方案。众所周知,无线通信频率越低,覆盖能力越强,穿透能力越好,目前3.4-3.6 GHz是5G应用最广泛的频谱。与此同时,半导体技术的进步也在不断推动着无限通信系统的发展。以氮化镓(GaN)为首的第三代宽禁带半导体器件已经得到广泛关注与研究。GaN 器件于2010年已开始进入了快速发展的阶段,海量的高功率微波GaN器件应用到移动通信基站等领域。因此,5G市场仍迫切需求3.4–3.6 GHz GaN功放。在5G通信系统中,Doherty 功率放大器因其具有结构简单和较高的回退区效率的特点,仍将是收发末端射频功率放大器的首选拓扑结构。与传统的1:1对称Doherty 功率放大器不同,非对称Doherty 功放的主路功放和辅助功放采用1:1.5非对称的匹配结构,主辅功放的饱和输出功率不一致,实现优于传统6 dB 的高回退量,以适应高信号峰均比的需求。

为了实现回退8 dB下,平均输出功率37.8 dBm时拥有更高的回退效率,本文基于0.25 μm GaN工艺实现了一种AB类驱动Doherty架构的双级放大器,结果表明该放大器在28 V供电电压下8 dB回退效率大于52%。

2 电路设计

如图1所示,本文的功放采用AB类放大器驱动反型Doherty架构的双级放大结构,即所谓一推二结构。输入信号经过驱动放大器后,经过级间移相分配网络实现非等分功率分配,分别进入主路和辅路;主路功放工作AB类,辅路功放工作在C类;信号经过放大后在输出端进行合路输出。由于采用反型Doherty结构,辅路的输出端接入90度相位延时线,所以为了保持主路、辅路相位的平衡,需要在主路的输入端加入1/4波长相位补长线。

图1 Doherty电路原理图

通过选取合适的主辅功放的合路点阻抗,实现了优于传统6 dB 的高回退量,同时提高了工作带宽。输出移相隔直网络引入谐波匹配,提高了功率放大器的整体效率。进行输入输出匹配设计时,在完成阻抗变换的前提下,应使匹配微带线的传输相位盡量限制在90°以内,简化匹配结构,减少匹配网络的路径损耗,提高功放效率,增大功放的匹配带宽。偏置电路为功率放大器提供稳定的静态工作点,提供晶体管正常工作时的馈电电压和静态电流。偏置电路防止电源干扰信号进入射频通路,滤除电源噪声,也防止射频信号从偏置电路泄露而降低功放的整体效率,同时不影响电源性能,保证偏置电压的稳定。输入输出的偏置网络由电长度为1/4波长终端短路微带线和射频电容组成,既提供二次谐波射频信号的短路地,同时作为基频信号匹配的一部分。驱动级放大器采用10 W的GaN晶体管,末级主路采用26 W的GaN晶体管;末级辅路的功率等级为39 W。主路整体的静态电流为120 mA,辅路驱动级以及末级的偏置在-3.5V左右,漏级采用28V电源供电。

3 测试结果

为验证上述Doherty功放设计方法的可行性,本文采用Rogers 4350B的基板材料实现外围匹配,同时选取GMM1722和GMM2422作为驱动和Doherty功放的功率管,并使其分别偏置在AB 类、AB 类和C 类状态。功放实物如图2所示。

图3为实测驻波曲线,可以看出,在3.4–3.6 GHz的频带内输入驻波以及输出驻波都在-15 dB以下,匹配良好。如图4所示,当放大器输出功率回退8 dB,达到37.8 dBm时,功放对应的功率增益和效率随频率的变化曲线,可以看出频带内的功率增益大约在28.5 dB,效率超过52%,3.4–3.6 GHz的频带内整体的饱和功率优于46 dBm。

4 结论

本论文采用0.25 μm GaN工艺研制了一款3.4-3.6 GHz Doherty功率放大器。在3.4-3.6 GHz频带内,放大器带内输入、输出驻波均小于-15 dB,功率回退8 dB,输出功率为37.8 dBm时对应的功率增益为28.5 dB,效率大于52%,带内饱和功率优于46dBm,实现了高回退下的高效率指标的设计要求,可以满足相关5G无线通信系统射频前端的应用需求。

参考文献

[1]Q.A. Liu, et al., "Design of 3.5GHz linear high-efficiency Doherty power amplifier with pre-matching." Microwave Conference IEEE, Nanjing, China, pp.1-3, Feb. 2016.

[2]S. Maroldt, et al., "3.5-GHz Ultra-Compact GaN Class-E Integrated Doherty MMIC PA for 5G massive-MIMO Base Station Applications." EUMIC, Nuremberg, Germany, pp.196-199, Oct. 2017.

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