基于0.25 μm GaN工藝3.4-3.6 GHz Doherty高效率功率放大器

童偉　王測天　羊洪輪　鄔海峰　林倩

摘要：本文介紹了一種基于0.25 μm GaN工藝的3.4–3.6 GHz Doherty功率放大器。為實現高功率增益和高回退效率，該功率放大器采用雙級放大結構，并且驅動級采用AB類放大器，末級采用高效率Doherty架構。其中Doherty放大器由主路和輔路構成，為了實現更大回退范圍的高效率指標，主路和輔路功放采用1：1.5的功率分配結構。在3.4-3.6 GHz頻帶范圍內，該放大器輸入輸出駐波均小于-15 dB，飽和輸出功率大于45.8 dBm，功率回退8 dB時，效率大于52%。該放大器在5G移動通信系統中，具有廣泛的市場應用前景。

關鍵詞：GaN ?Doherty ?高效率 ?功率放大器

1 引言

隨著無線移動通信技術的發展，5G無線通信逐步實現商用。其中sub 6 GHz應用（低于6 GHz的部分），將是5G當前的主流應用頻段范圍的解決方案。眾所周知，無線通信頻率越低，覆蓋能力越強，穿透能力越好，目前3.4-3.6 GHz是5G應用最廣泛的頻譜。與此同時，半導體技術的進步也在不斷推動著無限通信系統的發展。以氮化鎵（GaN）為首的第三代寬禁帶半導體器件已經得到廣泛關注與研究。GaN 器件于2010年已開始進入了快速發展的階段，海量的高功率微波GaN器件應用到移動通信基站等領域。因此，5G市場仍迫切需求3.4–3.6 GHz GaN功放。在5G通信系統中，Doherty 功率放大器因其具有結構簡單和較高的回退區效率的特點，仍將是收發末端射頻功率放大器的首選拓撲結構。與傳統的1：1對稱Doherty 功率放大器不同，非對稱Doherty 功放的主路功放和輔助功放采用1：1.5非對稱的匹配結構，主輔功放的飽和輸出功率不一致，實現優于傳統6 dB 的高回退量，以適應高信號峰均比的需求。

為了實現回退8 dB下，平均輸出功率37.8 dBm時擁有更高的回退效率，本文基于0.25 μm GaN工藝實現了一種AB類驅動Doherty架構的雙級放大器，結果表明該放大器在28 V供電電壓下8 dB回退效率大于52%。

2 電路設計

如圖1所示，本文的功放采用AB類放大器驅動反型Doherty架構的雙級放大結構，即所謂一推二結構。輸入信號經過驅動放大器后，經過級間移相分配網絡實現非等分功率分配，分別進入主路和輔路;主路功放工作AB類，輔路功放工作在C類;信號經過放大后在輸出端進行合路輸出。由于采用反型Doherty結構，輔路的輸出端接入90度相位延時線，所以為了保持主路、輔路相位的平衡，需要在主路的輸入端加入1/4波長相位補長線。

圖1 Doherty電路原理圖

通過選取合適的主輔功放的合路點阻抗，實現了優于傳統6 dB 的高回退量，同時提高了工作帶寬。輸出移相隔直網絡引入諧波匹配，提高了功率放大器的整體效率。進行輸入輸出匹配設計時，在完成阻抗變換的前提下，應使匹配微帶線的傳輸相位盡量限制在90°以內，簡化匹配結構，減少匹配網絡的路徑損耗，提高功放效率，增大功放的匹配帶寬。偏置電路為功率放大器提供穩定的靜態工作點，提供晶體管正常工作時的饋電電壓和靜態電流。偏置電路防止電源干擾信號進入射頻通路，濾除電源噪聲，也防止射頻信號從偏置電路泄露而降低功放的整體效率，同時不影響電源性能，保證偏置電壓的穩定。輸入輸出的偏置網絡由電長度為1/4波長終端短路微帶線和射頻電容組成，既提供二次諧波射頻信號的短路地，同時作為基頻信號匹配的一部分。驅動級放大器采用10 W的GaN晶體管，末級主路采用26 W的GaN晶體管;末級輔路的功率等級為39 W。主路整體的靜態電流為120 mA，輔路驅動級以及末級的偏置在-3.5V左右，漏級采用28V電源供電。

3 測試結果

為驗證上述Doherty功放設計方法的可行性，本文采用Rogers 4350B的基板材料實現外圍匹配，同時選取GMM1722和GMM2422作為驅動和Doherty功放的功率管，并使其分別偏置在AB 類、AB 類和C 類狀態。功放實物如圖2所示。

圖3為實測駐波曲線，可以看出，在3.4–3.6 GHz的頻帶內輸入駐波以及輸出駐波都在-15 dB以下，匹配良好。如圖4所示，當放大器輸出功率回退8 dB，達到37.8 dBm時，功放對應的功率增益和效率隨頻率的變化曲線，可以看出頻帶內的功率增益大約在28.5 dB，效率超過52%，3.4–3.6 GHz的頻帶內整體的飽和功率優于46 dBm。

4 結論

本論文采用0.25 μm GaN工藝研制了一款3.4-3.6 GHz Doherty功率放大器。在3.4-3.6 GHz頻帶內，放大器帶內輸入、輸出駐波均小于-15 dB，功率回退8 dB，輸出功率為37.8 dBm時對應的功率增益為28.5 dB，效率大于52%，帶內飽和功率優于46dBm，實現了高回退下的高效率指標的設計要求，可以滿足相關5G無線通信系統射頻前端的應用需求。

參考文獻

[1]Q.A. Liu， et al.， "Design of 3.5GHz linear high-efficiency Doherty power amplifier with pre-matching." Microwave Conference IEEE， Nanjing， China， pp.1-3， Feb. 2016.

[2]S. Maroldt， et al.， "3.5-GHz Ultra-Compact GaN Class-E Integrated Doherty MMIC PA for 5G massive-MIMO Base Station Applications." EUMIC， Nuremberg， Germany， pp.196-199， Oct. 2017.