下一代无线基站的超宽频GaN Doherty功率放大器

为了满足通信容量急剧增长的下一代移动通信，用于移动通信基站的放大器必须能够放大出具有高效率、宽频带、峰值平均功率比(PAPR)大的信号。宽频带能支持多个带宽，可以有效地降低基站的规模和成本。Doherty功率放大器是一种有用的技术(1) (2)，它能有效地放大信号的峰值平均功率比(PAPR)。然而，Doherty功率放大器的一个问题是它在结构上通常具有窄带特性。

本文介绍了能有效应用于宽频带Doherty功率放大器的氮化镓(GaN)晶体管。此外，我们还报导了一种在4G/LTE-advanced应用中能覆盖多个带宽的超宽频Doherty功率放大器的开发，通过结合λ/4变换器电路来吸收晶体管或封装内的寄生参数，及补偿电路技术来补偿频率相关性。

图1显示了两种Doherty功率放大器的电路结构。图1(a)显示了传统的电路，图1(b)显示了我们的推荐电路。理想的Doherty功率放大器配置有两个并联的放大器，并由一条λ/4传输线连接到主放大器(Main)，这条λ/4传输线根据两个放大器的操作引起负载调制，从而在功率回退时高效运行。相比之下，在实际的传统Doherty放大器电路中，匹配电路和偏置线都被连接到主放大器和辅助放大器(Aux )的输出端。一般来说，晶体管构成的放大器需要一个包含寄生电抗并且输出阻抗能调整到50Ω的匹配电路。此外，偏置线需要调整电长度，并连接在匹配电路之后来实现电阻负载调制，λ/4传输线连接到主放大器电路偏置线之后。另一方面，在推荐电路中等效λ/4传输线（包括封装和晶体管内的寄生参数）被连接到主放大器晶体管的电源端(图1(b)的A部分)，而不是连接匹配电路和偏置线。此外，还将频率相关性的补偿电路连接到辅助放大器的输出端(图1(b)的B部分)。

 图2 显示了等效λ/4传输线的电路(图1(b)的A部分，包括封装和晶体管内的寄生参数)，通过将晶体管和封装内的寄生与封装的外电路相结合，可以创建一条在一定频率下其特征阻抗为Zc、电长度为λ/4的等效传输线。由于许多Doherty功率放大器包含匹配电路和偏置线，从晶体管的电源到主放大器和辅助放大器的结合点的电长度大于λ/4，或者它有消除寄生体的电路元件。相比之下，我们的结构直接将λ/4传输线连接到晶体管的电源。匹配电路和偏置线不像传统电路那样连接，并且Doherty电路能配置成宽频带。

 频率相关性的补偿电路(图1(b)的B部分)，将λ/4传输线的频率相关性的补偿加载到主放大器上。该电路由辅助放大器的封装和晶体管内的寄生组成，从辅助放大器的电源端来看，它的电长度是λ/2传输线的整数倍(N)。将特性阻抗和电长度设置为数值，以消除主放大器上λ/4传输线的频率相关性。

图3显示了从输出端到Doherty功率放大器的频率相关性的反射特性仿真结果。频率相关性补偿电路的电长度仿真结果为0，λ/2×1 (180°)及 λ/2×2 (360°)。频率相关补偿电路在高频侧显示电容性，在低频侧显示电感性。这说明阻抗被集中在实阻抗轴上。在λ/2×2的情况下，反射系数为0.14或小于分数带宽(FBW)的20%，与宽频带基本匹配。

图4显示了已装配的超宽频GaN Doherty功率放大器。Doherty功率放大器晶体管采用了两个三菱电机的GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)，型号为MGFS39G38L2。在图4的Doherty功放中，上路是主放大器(Main)，下路是辅助放大器(Aux)。

图5 给出了超宽频Doherty功率放大器的输出功率及漏极效率特性的测量结果。输入信号采用LTE下行信号，带宽为20MHz,峰均功率比(PAPR)为7.5dB。图中输出功率和效率均为最大值，邻道泄露比(ACLR)为-50dBc。在3.0-3.6GHz的宽频带带宽下，实现了45.9%~50.2%的漏极效率，表明该放大器覆盖了4G/LTE-advanced的多个带宽。

我们提出了一种频率补偿电路和超宽频的Doherty功率放大器，它将封装内的寄生和晶体管内寄生合并到输出组合器中。试样生产证实，该GaN Doherty功率放大器在LET信号为20MHz带宽，工作频率范围为3.0-3.6GHz的情况下，漏极效率达到45.9%~50.2%，邻道泄露比(ACLR)达到-50dBc。这种放大器技术将能够减少发射机放大器的数量并降低功耗，从而降低基站的总规模和成本。