C波段全集成GaN MMIC Doherty功率放大器設(shè)計(jì)

王金嬋，張盼盼，王德勇，張金燦，劉 敏，劉 博

（河南科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南洛陽 471023）

0 引 言

隨著無線通信領(lǐng)域新興技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度的需求迅速提升，給諸如第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）帶來了許多挑戰(zhàn)［1-2］。許多新的波段，包括毫米波和6 GHz 以下的波段，特別是C 波段，分配給5G 通信來滿足高數(shù)據(jù)傳輸速度的要求。因此，需要采用大規(guī)模多輸入輸出技術(shù)來提高頻譜效率。同時(shí)，功率放大器（PA）的數(shù)量通常也達(dá)到64 或128 個(gè)。因此，大大降低了單位功率放大器的功率要求。此外，單位PA 小型化來確保系統(tǒng)保持合理的尺寸［3］。基于高功率密度和高效率的GaN 技術(shù)的單片微波集成電路（MMIC）在這些應(yīng)用中非常有前景。

具有大峰值平均功率比（PAPR）的頻譜高效調(diào)制技術(shù)用來提高5G 網(wǎng)絡(luò)速度，這對(duì)功率放大器的功率回退效率（PBO）提出了嚴(yán)格的要求。因?yàn)楣β史糯笃鞯钠骄手饕善浠赝藭r(shí)的性能決定。Doherty 類功率放大器（DPA）是目前提高回退效率最常用的結(jié)構(gòu)［4］。目前科研人員已經(jīng)報(bào)道了許多類型的DPAs［5-15］。文獻(xiàn)［10］和［11］中的DPA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了大帶寬，但是放大器的增益和輸出功率相對(duì)較低。文獻(xiàn)［12］設(shè)計(jì)了三路的DPA 可以實(shí)現(xiàn)在大回退時(shí)的高效率，但是比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)多一路的DPA 意味著有更大的功率損耗和版圖面積。文獻(xiàn)［13］和［14］設(shè)計(jì)的用于5G 通信的DPA 展現(xiàn)了卓越的性能，但是飽和功率低于10 W，只在窄帶下實(shí)現(xiàn)了高回退效率。在文獻(xiàn)［15］中，通過調(diào)制主路和輔路晶體管的輸出網(wǎng)絡(luò)維持低的阻抗轉(zhuǎn)換比來達(dá)到拓寬頻帶的目的。然而，因?yàn)槁O偏置電感是使用鍵合線實(shí)現(xiàn)的，所以這個(gè)DPA不是全集成的。

本文采用了一種新型的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，去除了主路分支和兩路合成后的后匹配網(wǎng)絡(luò)阻抗轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)采用新型的功率分配器電路，達(dá)到了降低版圖面積的目的，同時(shí)降低主路的阻抗轉(zhuǎn)換比來達(dá)到拓寬頻帶的目的。設(shè)計(jì)了一款C 波段高效率、高增益的GaN MMIC Doherty 功率放大器。采用大尺寸晶體管來滿足輸出功率大于10 W，這會(huì)在一定程度上減小功率增益。

1 Doherty類功率放大器基本原理

1.1 Doherty類功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1936 年W. H. Doherty 提出了Doherty 功率放大器的結(jié)構(gòu)［16］。Doherty類傳統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，輸入信號(hào)通過功率分配器分成兩路，分別通過主路放大器（載波放大器）和輔助放大器（峰值放大器），最后合并成一路輸出。根據(jù)設(shè)計(jì)需求不同，功率分配器可以采用等分和不等分功率輸出，主路和輔助功率放大器也可以采用不同尺寸晶體管進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 Doherty類功率放大器結(jié)構(gòu)

通常主路晶體管工作在AB 類，輔路晶體管工作在C 類工作狀態(tài)。在圖1（a）中主路放大器經(jīng)過輸出匹配后經(jīng)過90°（λ/4，λ為波長(zhǎng)）阻抗變換器，之后兩路合路后再經(jīng)過一段90°的阻抗變換器將阻抗變換為常用的50 Ω。阻抗變換器的公式由式（1）給出，其中ZA為A點(diǎn)的低阻抗，ZB為B點(diǎn)的低阻抗，最后計(jì)算結(jié)果如圖1（a）所示，A點(diǎn)低阻抗為100 Ω，B點(diǎn)低阻抗為25 Ω，所以，阻抗轉(zhuǎn)換器的阻抗轉(zhuǎn)換比為100∶25=4∶1。

圖1（a）中的兩段50 Ω和35.4 Ω的阻抗變換線是將輸出阻抗匹配到50 Ω。圖1（b）為本次設(shè)計(jì)所采用的新型Doherty 功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以直接將輸出阻抗匹配到50 Ω，因此可以去除主路放大器中的阻抗變換器和兩路合路之后的阻抗變換器，這樣減少了電路設(shè)計(jì)中的組件，可以減小版圖的面積，同時(shí)，因?yàn)樵谳敵銎ヅ渲屑尤肓素?fù)載調(diào)制的功能，所以，輸出匹配電路的設(shè)計(jì)成為重點(diǎn)。

在Doherty 類功率放大器中，主要有兩種工作模式：一種是只有主放大器工作的回退狀態(tài)，另外一種是主放大器（MA）和輔助放大器（AA）共同工作的飽和狀態(tài)。在這里，我們定義“低阻抗”（只有MA工作）和“高阻抗”（MA和AA共同工作）。

MA 和AA 的輸出功率在“高阻抗”可以定義［17］為

另外，輸出功率回退（OBO）值可以由下式得出：

MA和AA的負(fù)載阻抗?jié)M足以下關(guān)系：

1.2 新型功率分配器的設(shè)計(jì)

圖2（a）為傳統(tǒng)傳輸線形式的功率分配器的拓?fù)鋱D，圖中的值由下列公式給出。

圖2 微帶線功分器設(shè)計(jì)方法

首先假設(shè)輸出端口2 和輸出端口3 的輸出功率分別為P2和P3。則定義K值為

由此給出其他數(shù)值：

傳輸線可以轉(zhuǎn)化成電感和電容組成的圖2（b）中的π 型網(wǎng)絡(luò)，并且在C 波段的傳輸線（Z和θ確定）的版圖面積大于其所轉(zhuǎn)化的π 型網(wǎng)絡(luò)的版圖面積。所以我們采用圖2（b）中的轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)（ω為角頻率）將傳輸線轉(zhuǎn)換為π 型網(wǎng)絡(luò)。其中參數(shù)由下式給出：

經(jīng)過上述公式計(jì)算，可以得出圖3（a）中的集總參數(shù)的功率分配器，這樣可以減小因傳輸線帶來的版圖面積過大的問題，同時(shí)圖3（a）中因?yàn)榇嬖谳^多電感元件，所以本設(shè)計(jì)采取圖3（b）新型等功率輸出功分器，參數(shù)求解由下式給出［18］：

圖3 集總參數(shù)功分器設(shè)計(jì)方法

采用的圖3（b）的新型輸出網(wǎng)絡(luò)可以減小版圖的面積，其中f0為頻率。本次設(shè)計(jì)的Doherty 類功放的中心頻率為5 GHz。根據(jù)圖3（b）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和公式（11）～（13）計(jì)算得到L2=1.59 nH，C2=0.64 pF，R2=50 Ω。

2 Doherty類功率放大器的電路設(shè)計(jì)

2.1 輸出匹配電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)第1節(jié)的分析，進(jìn)行輸出匹配的設(shè)計(jì)。圖4為新型輸出匹配電路的設(shè)計(jì)，包括主路輸出網(wǎng)絡(luò)（OMN main），輔路輸出網(wǎng)絡(luò)（OMN aux），輔助放大器的補(bǔ)償電感L7。本文設(shè)計(jì)的是6 dB 回退功率放大器，由公式（3）求得α=1，同時(shí)由公式（4）～（5）求得飽和時(shí)主路和輔路的輸出阻抗為100 Ω，此時(shí)兩路并聯(lián)阻抗為50 Ω，主路放大器在回退時(shí)輸出阻抗為50 Ω。很明顯，該匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗轉(zhuǎn)換率為100∶50=2∶1，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)DPA 的4∶1 的轉(zhuǎn)換率相比，具有頻帶寬和低插入損耗的優(yōu)點(diǎn)。補(bǔ)償電感L7使得低輸入功率時(shí)的輔助放大器處于開路狀態(tài)，確保此時(shí)只有主路放大器工作。

圖4 新型輸出匹配網(wǎng)絡(luò)

2.2 輸入匹配電路的設(shè)計(jì)

圖5為輸入匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，包括主路輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、輔路輸入匹配網(wǎng)絡(luò)和相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。值得注意的是，在輸入網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中沒有加穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)，這是因?yàn)樵陔娐吩O(shè)計(jì)最終網(wǎng)絡(luò)中，整體電路在全頻帶內(nèi)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。相位補(bǔ)償電路的作用是將主輔電路調(diào)節(jié)到相同的相位，減少電路因不同相位而導(dǎo)致?lián)p耗。

圖5 輸入匹配網(wǎng)絡(luò)

2.3 Doherty類功率放大器的整體設(shè)計(jì)

Doherty 功率放大器的整體電路原理圖如圖6所示。本文采用0.25 μm GaN HEMT 工藝，通過安捷倫的先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Advanced Design System）進(jìn)行仿真。主放大器采用6×300 μm 晶體管，輔助放大器采用10×300 μm 晶體管。為了減小版圖尺寸，實(shí)現(xiàn)小型化的目的，采取集成電感和電容來設(shè)計(jì)電路，避免大量使用傳輸線導(dǎo)致版圖面積的增大。值得注意的是，為了保證漏極電路能通過足夠大的電流，電感L2和L7要轉(zhuǎn)換為傳輸線，傳輸線的寬度所通過的電流一般為漏極通過靜態(tài)電流的兩倍。

圖6 Doherty功率放大器的整體設(shè)計(jì)原理圖

主路和輔助電路柵極電壓分別為-2.1 V和-5 V，確保主路和輔路分別工作在AB 類和C 類模式，輔助支路電壓的選取要保證在主路功率回退3 dB（整體DPA 回退6 dB）時(shí)輔助支路剛好開啟。輔助電路開啟得過早或者過晚，都會(huì)影響整體的電路性能。主路和輔路的漏極電壓為28 V，同時(shí)在柵極和漏極電源處添加隔直電容Cb，來減少電源帶來的雜波影響。

3 仿真結(jié)果和分析

Doherty 類功率放大器電路原理圖設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行版圖的設(shè)計(jì)，進(jìn)而進(jìn)行版圖后仿真。Doherty類功率放大器的芯片版圖如圖7 所示，其面積為2.4 mm×1.1 mm。

圖7 Doherty功放芯片版圖

圖8 為DPA 的S 參數(shù)版圖后仿真結(jié)果，在4.6～5.4 GHz 的800 MHz 帶寬內(nèi)，小信號(hào)增益高于8.2 dB，輸入回波損耗優(yōu)于-10 dB。

圖8 DPA的S參數(shù)

Doherty 類功率放大器的增益和漏極效率DE版圖后仿真結(jié)果分別如圖9 和圖10 所示。圖中顯示了DPA 的飽和輸出功率為40 dBm，在4.6～5.4 GHz 帶寬內(nèi)，飽和時(shí)的漏極效率（DE）為58.9%～61.3%，6 dB 回退后的漏極效率為38.3%～45.1%，增益為8.4～11.3 dB。

圖9 DPA的增益和漏極效率

圖10 4.6～5.4 GHz內(nèi)DPA的性能

表1 給出本文設(shè)計(jì)的Doherty 類功率放大器與同類型功放的參數(shù)對(duì)比，我們定義了FOM 來評(píng)價(jià)功放的整體性能。與其他文獻(xiàn)相比，本設(shè)計(jì)的版圖面積具有較大優(yōu)勢(shì)，具有較高的功率密度，這對(duì)于芯片的小型化至關(guān)重要。

表1 本設(shè)計(jì)與其他Doherty功放參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)束語

隨著信息化時(shí)代的到來，越來越多的便攜式設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。功率放大器作為便攜式設(shè)備的重要組成部分，其性能和尺寸成為重要的指標(biāo)。本文采用新型的Doherty類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功分器架構(gòu)以及較小的阻抗轉(zhuǎn)換比設(shè)計(jì)了一款工作在4.6～5.4 GHz 的新型Doherty 類功率放大器，同時(shí)驗(yàn)證了理論的可行性。設(shè)計(jì)的功放在相近的性能下具有更小的尺寸，更適用于便攜式設(shè)備的應(yīng)用。