Qorvo——GaN瞄准3.5 GHz，走向5G

相比栅极宽长度更宽长（如0.5 µm）的GaN工艺，0.25 µm GaN拥有更高的增益和工作频率。为了使功率放大器产品（包括驱动器和前置驱动器级）维持高效率，最终Doherty放大器（3.5 GHz频段的绝佳选择）的增益需要尽量高。与GaAs或硅相比，GaN的高功率密度有利于降低Cds漏极-源极电容，从而提高带宽。借助器件的低Cds和较高的固有阻抗，可以打造出适用于高视频带宽应用的内部封装匹配网络。3.4-3.6 GHz频段的视频带宽必须较高，因为100 MHz的信号带宽已纳入规划，而200 MHz则在讨论中。

3.5 GHz下，功率放大器(PA)与天线之间的插入损耗（包括环行器、电路板损耗和滤波）估计为2 dB。因此，如果天线端的平均辐射功率为20 W，则Doherty功率放大器参考平面将要求32 W的功率。Doherty功率放大器的所需峰值功率为调制载波峰值-均值比的函数。对于宏蜂窝基站的下行链路LTE信号，经削峰峰值因数缩减后，峰均比这些一般都在7 dB左右。功率放大器技术规格中另外增加了1 dB的数字预失真(DPD)裕量，用于补偿温度性能和器件间差异。因此，当天线端的平均功率为20 W时，峰值功率必须为200 W，即比32 W高8 dB。

DOHERTY功率放大器参考设计

为了展示GaN的性能，我们开发了一种面向频段42（3.4 - 3.6 GHz）的对称Doherty功率放大器参考设计。其天线端输出功率为2 W，载波Carrier和峰值Peaking放大器均采用TQP0103 GaN晶体管（见图1）。在8 dB回退条件下，功率放大器可提供超过20 W的峰值功率，效率超过44%。增益和效率为为输出功率的函数，如图2所示。

图 1  对称型Doherty功率放大器在频段42中实现2 W平均输出功率。该设计采用了两个TQP0103 GaN晶体管，二者均采用3 × 4 mm塑料QFN封装。

针对天线端1 W平均输出功率的方案采用非对称型Doherty功率放大器，其carier载波放大器采用的是TQP0102 GaN晶体管，peaking峰值放大器则采用TQP0103。peaking峰值放大器与载波放大器的功率比为2:1。在8 dB回退条件下，非对称型Doherty功率放大器的效率高于对称型Doherty功率放大器。在放大器参考平面，这种参考放大器设计将实现50%以上的效率。在相同的回退功率下，这会使效率比对称型Doherty功率放大器提升6个点以上。

图2  对称型Doherty功率放大器的增益和效率（为输出功率的函数），采用单载波、64 DPCH、10 dB PAR WCDMA测试信号，频率为3.5 GHz。

设计非对称型Doherty功率放大器时必须格外谨慎，要确保Doherty功率放大器的AM-AM和AM-PM响应平滑且单调，这是配合DPD使用时的必要条件。在跃迁过程中，增益和相位响应，当峰值放大器从关闭切换至开启状态，并且把载波放大器负载调制到峰值功率转换过程中，增益和相位响应必须具有单调性。要实现适当的增益和相位响应并非易事，因为要采用两个不同的器件，二者都有着不同的增益和相位响应。另外，工作模式也不相同，载波放大器为AB类，峰值放大器则偏置为C类。试验表明，非对称型GaN Doherty设计可以实现优于-60 dBc的ACPR性能，其中，信号带宽为10 MHz，采用的是第三方DPD系统（见图3a）。在20 MHz LTE信号条件下，DPD可在较宽的回退功率水平范围内实现优于-57 dBc的ACPR性能（见图3b）。范围为从深度回退（此时，仅载波放大器处于活动状态）一直延伸到峰值放大器开启和负载调制载波放大器的跃迁过程。只要平均功率加调制载波的峰值-均值比之和小于Doherty放大器的饱和功率，DPD就会改善线性度。DPD系统在功率超过Doherty放大器的饱和功率能力时无法补偿非线性度。在尝试补偿时，ACPR性能会快速下降，斜率几乎达垂直状态。图3所示为一个6.5 dB PAR的功率回退驱动至6.5 dB以下时的情况。

图3  非对称型Doherty功率放大器的ACPR与输出功率（P3dB以下），其中，(a)为10 MHz、6.5 dB PAR WCDMA信号，(b)为20 MHz、6.5 dB PAR LTE信号。

恒值线在20 W平均功率（天线端）参考设计中同样采用了非对称型Doherty架构。该放大器采用QDP3600作为载波放大器，T1G4012036- FS作为峰值放大器，二者的工作电压均为48 V。负载旨在以实现70W和140 W的载波和峰值放大器功率，并且峰值功率，减去Doherty功率放大器输出功率下200 W的合并P3dB值。设计基于晶体管的负载牵引测量值。载波放大器在3.5 GHz条件下的负载牵引恒值线如图4所示。红色恒值线展示了器件的峰值功率(P3dB)能力。黑色圆是3:1 VSWR最大功率条件下的最大功率3:1 VSWR恒值线，展示了器件在Doherty配置中可以实现的载波放大器效率匹配条件。绿色恒值线和蓝色恒值线分别表示Doherty放大器在45 dBm的目标平均功率下的增益和漏极效率。在3:1 VSWR圆左侧，可以看出，60%的漏极效率和19.6 dB的增益，在载波放大器效率相匹配时，是可以实现的。当峰值放大器开启时，它会把载波放大器负载调制到3:1 VSWR圆的中心，其负载条件为48.9 dBm P3dB。当峰值放大器匹配至功率比为2:1时，在45 dBm平均输出功率条件下，预期设计性能为14 dB的增益和55%的效率。