分享大规模天线阵列系统中Doherty功放模块的应用（内附案例）
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。
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
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 欧母内匹配的 Doherty 功率放
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