引言

近年來，隨著移動互聯(lián)網和物聯(lián)網的飛速發(fā)展， 無線移動通信歷經了3G、4G 的快速發(fā)展，今天第5 代移動通信標準雖尚未正式發(fā)布，但4.5G 或Pre- 5G 已應運而生，它使用了第四代移動通信的基本技術但采用了第五代移動通信的基本架構^[1，2]。

目前，許多主流電信設備商所發(fā)布的4.5G 或Pre-5G，是一種32 到256 通道的大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的基帶射頻一體化室外型基站，應該看到，基于4.5G 或Pre-5G 基站通道多，體積小的需求，要求功率放大器必須是一個小尺寸高集成度的模塊。傳統(tǒng) 的基站中使用的功率放大器材料LDMOS 已經不能滿足大規(guī)模陣列天線基站的要求，而基于碳化硅基底的氮化鎵材料由于高功率密度，高熱傳導和高效率等特性，可以設計成尺寸小，性能好，可靠性高的Doherty 功率放大器模塊，并在4.5G 或Pre-5G 等基站中有取代LDMOS 的趨勢^[4，7]。

QPA2705 是采用Qorvo 公司GaN25 Die 的工藝，以及IPC3 MMIC 內匹配工藝設計并生產的集兩級放大的Doherty 功率放大器模塊。由于其具有高功率密度以及良好的散熱屬性，可將其設計成6*10mm 的laminate 表貼封裝器件。基于不同功率量級的需求，本文采用了調整漏級電壓的方法來平衡漏級效率與整體線性的指標要求。

1、Doherty功率放大器模塊設計原理

圖1、Doherty 功率放大器電路拓撲圖

Doherty 電路拓撲如圖1 所示^[5]，包含主放大器和輔放大器以及1/4 波長阻抗變換線，主放大器工作在AB 類，輔放大器工作在C 類。就本質而言，Doherty 技術就是主放大器通過1/4 波長阻抗變換線來實現(xiàn)有源負載調制，并以此來提高Doherty 功率放大器的效率^[5]。

Doherty 功率放大器的工作區(qū)域可分三個階段：小信號階段、中信號階段和大信號階段。小信號階段由于輔放大器工作在C 類，信號強度不足以使其工作，處于開路狀態(tài)，主放大器通過1/4 波長阻抗變換線將負載變?yōu)?Ropt，從而提高負載電壓以提高效率。中信號階段由于信號逐漸增強，輔放大器開啟，負載從開路狀態(tài)逐步向Ropt 轉變， 并開始對主放大器進行有源負載牽引，以維持最大效率不變并提高最大輸出功率。大信號階段，主放大器和輔放大器都工作在飽和狀態(tài)，相當于兩路AB 類放大器功率合成，此時主、輔放大器的負載均為Ropt，以維持最大效率并達到最大輸出功率。

根據Doherty 功率放大器的漏級效率公式^[5]：

公式(1) 所示漏級效率僅僅與Vin 相關，當Vin 與Vmax 相等的時候，可以得到最大漏級效率。對于固定的負載線匹配，只有在峰值功率的時候，漏級效率才能達到最大值，但對于現(xiàn)代通信系統(tǒng)，尤其是大規(guī)模陣列天線系統(tǒng)，由于采用了OFDM 調制信號，功率放大器將工作在回退模式下以滿足系統(tǒng)對線性的要求。有源負載線匹配技術使得在功率回退模式下Vin 與Vmax 的值相同，從而提高功率放大器的漏級效率^[6]，圖2 所示為有源負載調制曲線圖^[6]: 根據不同的輸入信號強度，并通過1/4 波長線實現(xiàn)主放大器的負載斜率的改變，以達到最大的Vin。

根據有源負載調制的原理以及公式(1)，可以得出如圖3 所示Doherty 功率放大器在一定回退功率范圍內的漏級效率曲線圖^[5]，而如圖4 所示為傳統(tǒng)的AB 類放大器的漏級效率曲線圖^[5]，從而可以得出Doherty 功率放大器在一定的回退功率范圍內，可以維持最大效率。

圖2、有源負載調制曲線圖

圖3、Doherty 漏級效率曲線圖

圖4、AB 類放大器的漏級效率曲線圖

2、電路分析及設計指標要求

2.1、QPA2705 電路分析

QPA2705 是基于碳化硅基底的氮化鎵材料以及IPC3 MMIC 內匹配工藝，采用低成本的Laminate 表貼封裝技術設計成一個尺寸僅為6*10mm 的可應用在大規(guī)模陣列天線系統(tǒng)中的高集成度Doherty 功率放大器模塊。如圖5 所示為其內部結構框圖，包含了驅動放大器，主放大器和輔放大器以及1/4 波長阻抗變換線，是一個兩級放大并且輸入輸出50 歐姆內匹配的Doherty 功率放大器模塊。

圖5、QPA2705 內部結構框架圖

QPA2705采用了非對稱的結構來提高回7.5dB 退功率時的效率^[7]。傳統(tǒng)的Doherty 功率放大器的最大效率是在6dB 功率回退點 ^[5]，非對稱結構的Doherty 可以根據不同峰均比的信號，通過選用合適的輸入功率和不同的主輔飽和功率配比，可以使得Doherty 功率放大器在回退信號峰均功率比值時，正好達到最高效率點。QPA2705 針對7.5dB 峰均比的LTE 信號，主、輔放大器選用1:1.2 的功率配比，從而能夠在7.5dB 峰均比的情況下，達到最大效率點。

QPA2705 采用了反向結構來提高工作帶寬^[8]。傳統(tǒng)的Doherty 功率放大器中的1/4 阻抗變換線通常放在主放大器后面，以起到負載牽引的作用，但由于不同頻段的阻抗變換線的長度不一樣以致限制的工作帶寬。針對2496MHz 到2690MHz 的工作帶寬以及3*20MHz 的信號帶寬，QPA2705 采用了反向Doherty 結構，把1/4 波長阻抗變換線放在輔放大器后面，僅僅通過主放大器的內匹配以及相位延長線來實現(xiàn)有源負載變換，以達到最大工作帶寬性能指標要求。

電路分析及設計指標要求

2.2、QPA2705 設計指標

QPA2705 主要是為4.5G 或Pre-5G 大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)設計的功率放大器模塊，具有高集成度， 高帶寬，高效率，高線性，小型化等優(yōu)點，并可以根據 不同數(shù)字預失真系統(tǒng)調節(jié)漏級電壓以同時滿足效率與線性的要求。根據3GPP 的指標要求^[9]，設計指標如表1所示。

表1、設計指標

3、電路測試及分析

3.1、基本射頻性能測試

功率放大器的基本射頻性能取決于輸入輸出匹配以及供電電壓和靜態(tài)偏置的狀況，為了使器件在一定的功率范圍內效率更高，可以選取不同的供電電壓和靜態(tài)偏置來折中漏級效率和整體線性的要求。

測試指標要求以及本測試條件：在2496MHz 到2690MHz 頻段范圍內，測試指標要求駐波小于-10dB，增益大于34.5dB，3dB 壓縮點大于45dBm。

本測試條件是在24V 漏級供電電壓和-4.33V 輔放大器偏置電壓，驅動級靜態(tài)工作電流50mA，主放大器靜態(tài)工作電流50mA，飽和功率測試信號是采用8uS/80uS 的脈沖信號，測試頻率范圍2500MHz 到2700MHz，測試環(huán)境溫度是25 度，以及外加風扇以保持溫度恒定。

表2 是采用Agilent E5071C 矢量網絡分析儀對S 參數(shù)測量和采用E4438CESG 信號發(fā)生器以及E4417A 功率計進行測量的結果。

表2、S 參數(shù)和3dB 壓縮點測試結果

由測試結果可以看出，在2500MHz 到2700MHz 頻段范圍內，輸入端口的反射系數(shù)都在-10dB 以下，小信號增益在35dB 左右，平坦度在0.3dB 以內，3dB壓縮點功率在45dBm以上。此數(shù)據可以滿足設計指標要求。

電路測試及分析

3.2、線性校準測試

應用在大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)中的功率放大器對 線性度的要求極其嚴格，目前大部分廠商采用數(shù)字預失真的方法來提高線性度。本文使用ADI 公司帶有數(shù)字預失真功能的收發(fā)模塊對QPA2705 進行線性化處理，配合使用方法：由于收發(fā)模塊的驅動能力不足，需配有驅動放大器作為預驅動，然后對QPA2705 進行數(shù)字預失真線性校準。

測試指標要求以及本測試條件：根據3GPP 在2496MHz 到2690MHz 頻段范圍內的指標要求，在數(shù)字預失真校準后，鄰道功率比要小于-45dBc。

本測試條件是根據不同功率量級調整漏級供電電壓，輔放大器的偏置電壓為-4.33V，驅動級靜態(tài)工作電流50mA，主放大器靜態(tài)工作電流50mA，測試信號是7.5dB 峰均比以及3*20MHz 的LTE 信號，測試環(huán)境溫度是25 度，以及外加風扇以保持溫度恒定，在34dBm 到37dBm 采用24V 供電，37dBm 到38dBm 采用26V 和28V 供電，以此來提高效率并保證線性度的指標要求。

表3 是在2605MHz 頻點，7.5dB 峰均比以及3*20MHz LTE 信號測試的數(shù)據，圖6 和圖7 是在38dBm 輸出功率時測試的初始鄰道功率比和數(shù)字預失真處理后的鄰道功率比數(shù)據，由測試結果可以看出，針對34dBm~38dBm 區(qū)間的功率，漏級效率在37.9%~44.41%，數(shù)字預失真技術處理后的鄰道功率比可以達到-50dBc 左右。此數(shù)據可以滿足設計指標要求。

表3、2605MHz 頻點，7.5dB 峰均比以及3*20MHz LTE 信號測試的數(shù)據

圖6、初始鄰道功率比

圖7、數(shù)字預失真后的鄰道功率比

4、結論

本文是基于Qorvo 公司QPA2705 器件，配合ADI 公司自帶數(shù)字預失真功能的收發(fā)模塊，研究并測試了可應用在大規(guī)模陣列天線基站中的高集成度的功率放大器模塊，在2496MHz 到2690MHz 頻段范圍內，針對34dBm 到38dBm 不同功率量級，通過調整功率放大器漏級供電電壓來折中漏級效率和線性度的整體指標要求。

在24V 漏級供電電壓的情況下，34dBm 到37dBm 功率范圍內，漏級效率在37.9%~44.16%，數(shù)字預失真技術處理后的鄰道功率比可以達到-50dBc 左右。

在26V 漏級供電電壓的情況下，38dBm 功率的漏級效率可以達到44.41%，此時數(shù)字預失真技術處理后的鄰道功率比可以達到-48. 69dBc。

在28V 漏級供電電壓的情況下，37dBm 到38dBm 功率范圍內，漏級效率在40.55% -42.33%，此時數(shù)字預失真技術處理后的鄰道功率比都在-50dBc 以下。

由此看出，QPA2705 功率放大器模塊可以應用在大規(guī)模陣列天線基站中。

作者：周鵬飛，保石，楊嘉，來自Qorvo公司

參考文獻

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