大规模天线阵列系统中Doherty功放模块的应用

引言

近年来，随着移动互联网和物联网的飞速发展， 无线移动通信历经了3G、4G 的快速发展，今天第5 代移动通信标准虽尚未正式发布，但4.5G 或Pre- 5G 已应运而生，它使用了第四代移动通信的基本技术但采用了第五代移动通信的基本架构^[1，2]。

目前，许多主流电信设备商所发布的4.5G 或Pre-5G，是一种32 到256 通道的大规模天线阵列系统的基带射频一体化室外型基站，应该看到，基于4.5G 或Pre-5G 基站通道多，体积小的需求，要求功率放大器必须是一个小尺寸高集成度的模块。传统 的基站中使用的功率放大器材料LDMOS 已经不能满足大规模阵列天线基站的要求，而基于碳化硅基底的氮化镓材料由于高功率密度，高热传导和高效率等特性，可以设计成尺寸小，性能好，可靠性高的Doherty 功率放大器模块，并在4.5G 或Pre-5G 等基站中有取代LDMOS 的趋势^[4，7]。

QPA2705 是采用Qorvo 公司GaN25 Die 的工艺，以及IPC3 MMIC 内匹配工艺设计并生产的集两级放大的Doherty 功率放大器模块。由于其具有高功率密度以及良好的散热属性，可将其设计成6*10mm 的laminate 表贴封装器件。基于不同功率量级的需求，本文采用了调整漏级电压的方法来平衡漏级效率与整体线性的指标要求。

1、Doherty功率放大器模块设计原理

图1、Doherty 功率放大器电路拓扑图

Doherty 电路拓扑如图1 所示^[5]，包含主放大器和辅放大器以及1/4 波长阻抗变换线，主放大器工作在AB 类，辅放大器工作在C 类。就本质而言，Doherty 技术就是主放大器通过1/4 波长阻抗变换线来实现有源负载调制，并以此来提高Doherty 功率放大器的效率^[5]。

Doherty 功率放大器的工作区域可分三个阶段：小信号阶段、中信号阶段和大信号阶段。小信号阶段由于辅放大器工作在C 类，信号强度不足以使其工作，处于开路状态，主放大器通过1/4 波长阻抗变换线将负载变为2Ropt，从而提高负载电压以提高效率。中信号阶段由于信号逐渐增强，辅放大器开启，负载从开路状态逐步向Ropt 转变， 并开始对主放大器进行有源负载牵引，以维持最大效率不变并提高最大输出功率。大信号阶段，主放大器和辅放大器都工作在饱和状态，相当于两路AB 类放大器功率合成，此时主、辅放大器的负载均为Ropt，以维持最大效率并达到最大输出功率。

根据Doherty 功率放大器的漏级效率公式^[5]：

公式(1) 所示漏级效率仅仅与Vin 相关，当Vin 与Vmax 相等的时候，可以得到最大漏级效率。对于固定的负载线匹配，只有在峰值功率的时候，漏级效率才能达到最大值，但对于现代通信系统，尤其是大规模阵列天线系统，由于采用了OFDM 调制信号，功率放大器将工作在回退模式下以满足系统对线性的要求。有源负载线匹配技术使得在功率回退模式下Vin 与Vmax 的值相同，从而提高功率放大器的漏级效率^[6]，图2 所示为有源负载调制曲线图^[6]: 根据不同的输入信号强度，并通过1/4 波长线实现主放大器的负载斜率的改变，以达到最大的Vin。

根据有源负载调制的原理以及公式(1)，可以得出如图3 所示Doherty 功率放大器在一定回退功率范围内的漏级效率曲线图^[5]，而如图4 所示为传统的AB 类放大器的漏级效率曲线图^[5]，从而可以得出Doherty 功率放大器在一定的回退功率范围内，可以维持最大效率。

图2、有源负载调制曲线图

图3、Doherty 漏级效率曲线图

图4、AB 类放大器的漏级效率曲线图

2、电路分析及设计指标要求

2.1、QPA2705 电路分析

QPA2705 是基于碳化硅基底的氮化镓材料以及IPC3 MMIC 内匹配工艺，采用低成本的Laminate 表贴封装技术设计成一个尺寸仅为6*10mm 的可应用在大规模阵列天线系统中的高集成度Doherty 功率放大器模块。如图5 所示为其内部结构框图，包含了驱动放大器，主放大器和辅放大器以及1/4 波长阻抗变换线，是一个两级放大并且输入输出50 欧姆内匹配的Doherty 功率放大器模块。

图5、QPA2705 内部结构框架图

QPA2705采用了非对称的结构来提高回7.5dB 退功率时的效率^[7]。传统的Doherty 功率放大器的最大效率是在6dB 功率回退点 ^[5]，非对称结构的Doherty 可以根据不同峰均比的信号，通过选用合适的输入功率和不同的主辅饱和功率配比，可以使得Doherty 功率放大器在回退信号峰均功率比值时，正好达到最高效率点。QPA2705 针对7.5dB 峰均比的LTE 信号，主、辅放大器选用1:1.2 的功率配比，从而能够在7.5dB 峰均比的情况下，达到最大效率点。

QPA2705 采用了反向结构来提高工作带宽^[8]。传统的Doherty 功率放大器中的1/4 阻抗变换线通常放在主放大器后面，以起到负载牵引的作用，但由于不同频段的阻抗变换线的长度不一样以致限制的工作带宽。针对2496MHz 到2690MHz 的工作带宽以及3*20MHz 的信号带宽，QPA2705 采用了反向Doherty 结构，把1/4 波长阻抗变换线放在辅放大器后面，仅仅通过主放大器的内匹配以及相位延长线来实现有源负载变换，以达到最大工作带宽性能指标要求。