Doherty結構

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摘 ?要：高數據速率5G系統預計將在15GHz和100GHz之間的頻率下工作，并在基站和手機中使用大量天線。其中代表性的功率放大器場景與當今的商用無線場景不同：將會有更多的功率放大器以低功率水平工作。然而，對信號峰均比的要求仍然很高，效率仍將是一個關鍵考慮因素。盡管Doherty結構的放大器不是實現5G系統中需求的唯一的可能結構，但它將成為5G應用中的主要競爭者。本文介紹了毫米波5G系統中功率放大器的新興要求，描述了不同工藝技術中毫米波Doherty功率放大器的現狀，列出了5G應用下功率放大器設計的挑戰，并提供了除Doherty放大器以外的方法以滿足需求的設計方法。

關鍵詞：功率放大器;無線通信;毫米波放大器

第一章 ?引言

5G無線通信系統的目標包括超過100倍的擴展容量，高達> 1Gb / s的更高數據速率，低于1mS的延遲以及改進的體驗質量，延長電池壽命。5G系統的基石將是使用大量“小型單元”，覆蓋距離為200-300米或更短。Massive MIMO在5G系統中的關鍵作用也不同忽視，它利用天線陣列提供精確的波束控制以增加信號強度，減少干擾，并允許在許多環境中使用并行數據通道。5G系統還將利用電磁頻譜的未封閉區域。國際上基本已經規劃了5G通信的頻率范圍，將逐步部署頻率范圍低于6GHz的系統，然后是厘米波（特別是6-30GHz），后來是毫米波（30-100GHz）。

由于要利用毫米波上的載波頻率，所以5G無線通信時需要提供大量天線，其中基站上的天線數量大于100，手機上所需要的天線數量大于16。這些需求也就導致了功率放大器的規格與3G和4G的性能要求大不相同。在5G的未來，基礎的晶體管技術以及電路實現方法可能與傳統意義上完全不同。

第二章 ?毫米波和厘米波上5G的需求

5G系統中的天線間距約為自由空間波長的1/2。28GHz的16×16天線陣列尺寸為8cm×8cm。為了支持這些天線，預計需要多個射頻前端芯片，每個天線配置為一個射頻前端如圖1所示，或者每個4到8個天線可能配置一個射頻前端芯片。

對于最低載波頻率，信號帶寬可以是100MHz，在高毫米波狀態下增加到2GHz，PAPR值在8到12dB的范圍內。因此，射頻前端芯片PA所需的峰值功率水平相對較小。圖2給出了基站和手機在不同頻率區域估計的峰值功率要求的概念。疊加的粗略估計值對應于各種技術與頻率（對于單個模塊或以芯片形式）所展示的峰值功率水平。在5G要求中，多種工藝技術可以提供所需的功率，包括未來的基于硅的電路，甚至可以應用于用于基站。這個階段是為了激烈的競爭，其中效率和成本將是重要的考慮因素;由于應避免天線陣列的精細散熱，平均功率水平的效率在許多情況下是關鍵的。

第三章 ?毫米波的doherty結構設計

Doherty放大器的回退效率得到改善，在毫米波狀態的頻率下已經很好地建立起來。，至少在較高頻率下，Doherty結構可以很好的在片上實現阻抗反轉和匹配。由于毫米波5G的分數帶寬很小（6-10%），在1-2GHz處受到關注的帶寬限制在這里也不適用。然而，有一些值得注意的挑戰主要與增益有關。Doherty效率的提高源于對不同退避水平使用不同的負載阻抗，并且隨著阻抗的變化，增益可能會顯著降低。連接主放大器和峰值放大器的輸入功率的消耗（即使在峰值放大器關閉時）也是有問題的。與四分之一波傳輸線相關的損耗可能很大，這會降低效率并使負載調制效率降低。在III-V族工藝中，通常使用微帶線，可以利用在晶片背面具有接地平面的特性，帶來最小化損耗;在基于硅的工藝技術中，接地平面和信號線都包含在頂部金屬層中，因此線必須更窄以保持給定的阻抗，并且損耗更高。諧波終端的效率提升通常是無效的。

許多Doherty結構的PA已經在10GHz以上得到證明。最近在26GHz使用0.15μm GaAs pHEMT的高性能結果為，功率附加效率在峰值時達到36%，并且在6dB回退時效率仍然高于25%。增益為10.3 dB，兩級級聯實現的最大輸出功率為26dBm。

為了提供潛在的更低成本和附加功能，業內已經注意到基于硅的解決方案。盡管Doherty設計的示例很少，但是在SiGe HBT和CMOS工藝中已經廣泛地研究了毫米波功率放大器。早期報道的采用90nm CMOS實現的75GHz放大器實現了6dB的退避效率15.6%（峰值效率31%，峰值功率11.7dBm）。采用CMOS / SOI的代表性高功率放大器為了增加電壓處理和輸出功率，在單元放大器中使用兩個nMOSFET的堆疊技術，在中間節點處優化了阻抗匹配，以便最大化增益。為了縮短傳輸線阻抗逆變器并使損耗最小化，使用慢波結構。在45 GHz時，單級放大器提供7dB的峰值增益，Psat為18dBm，峰值PAE為24%，6 dB回退效率為16%。芯片面積相對較小，應該可以直接集成到具有多種功能的芯片中，或者提供多個輸出。通過回退獲得顯著的變化，并且必須改變峰值放大器的柵極偏置以便轉動峰值放大器 適當地，使信號輸入電路復雜化。

在80 GHz時，已經在CMOS中展示了一種創新的Doherty，它使用變壓器而不是傳輸線來實現負載調制。該設計采用非對稱結構，因此在全功率運行時，峰值放大器提供大部分輸出。為了在輸入功率增加時適當地控制峰值放大器的增益，在芯片上結合自適應偏置網絡。該放大器輸出功率為16.2 dBm，峰值效率為12%，6dB回退效率為11%。

第四章 ?總結

Doherty放大器可能在5G 毫米波PA /天線陣列中起主要作用。然而，與迄今為止所證明的相比，提高效率的空間很大。5G為功率放大器創新提供了肥沃的土壤。在本文中，考慮到Doherty功率放大器與新近可用技術的聯系以及當前和未來無線通信系統的要求，已經解決了主要研究趨勢。考慮到基站上的要求，在工藝上Si LDMOS和GaN HEMT是首選，主要工作重點是提高回退效率，并通過多頻帶或寬帶解決方案設計多標準硬件。