分享大规模天线阵列系统中Doherty功放模块的应用(内附案例)

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目前,许多主流电信设备商所发布的 4.5G 或 Pre-5G,是一种 32 到 256 通道的大规模天线阵列系统的基带射频一体化室外型基站,应该看到,基于 4.5G 或 Pre-5G 基站通道多,体积小的需求,要求功率放大器必须是一个小尺寸高集成度的模块。传统 的基站中使用的功率放大器材料 LDMOS 已经不能满足大规模阵列天线基站的要求,而基于碳化硅基底的氮化镓材料由于高功率密度,高热传导和高效率等特性,可以设计成尺寸小,性能好,可靠性高的 Doherty 功率放大器模块,并在 4.5G 或 Pre-5G 等基站中有取代 LDMOS 的趋势[4,7]。

QPA2705 是采用 Qorvo 公司 GaN25 Die 的工艺,以及 IPC3 MMIC 内匹配工艺设计并生产的集两级放大的 Doherty 功率放大器模块。由于其具有高功率密度以及良好的散热属性,可将其设计成 6*10mm 的 laminate 表贴封装器件。基于不同功率量级的需求,本文采用了调整漏级电压的方法来平衡漏级效率与整体线性的指标要求。

 

Doherty功率放大器模块设计原理

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图 1 Doherty 功率放大器电路拓扑图

Doherty 电路拓扑如图 1 所示[5],包含主放大器和辅放大器以及 1/4 波长阻抗变换线,主放大器工作在 AB 类,辅放大器工作在 C 类。就本质而言, Doherty 技术就是主放大器通过 1/4 波长阻抗变换线来实现有源负载调制,并以此来提高 Doherty 功率放大器的效率[5]。

Doherty 功率放大器的工作区域可分三个阶段:小信号阶段、中信号阶段和大信号阶段。小信号阶段由于辅放大器工作在 C 类,信号强度不足以使其工作,处于开路状态,主放大器通过1/4 波长阻抗变换线将负载变为 2Ropt,从而提高负载电压以提高效率。中信号阶段由于信号逐渐增强,辅放大器开启,负载从开路状态逐步向 Ropt 转变, 并开始对主放大器进行有源负载牵引,以维持最大效率不变并提高最大输出功率。大信号阶段,主放大器和辅放大器都工作在饱和状态,相当于两路 AB 类放大器功率合成,此时主、辅放大器的负载均为 Ropt,以维持最大效率并达到最大输出功率。

根据 Doherty 功率放大器的漏级效率公式[5]:

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公式 (1) 所示漏级效率仅仅与 Vin 相关,当 Vin 与 Vmax 相等的时候,可以得到最大漏级效率。 对于固定的负载线匹配,只有在峰值功率的时候,漏级效率才能达到最大值,但对于现代通信系统,尤其是大规模阵列天线系统,由于采用了 OFDM 调制信号,功率放大器将工作在回退模式下以满足系统对线性的要求。有源负载线匹配技术使得在功率回退模式下 Vin 与 Vmax 的值相同,从而提高功率放大器的漏级效率[6],图 2 所示为有源负载调制曲线图[6]: 根据不同的输入信号强度,并通过 1/4 波长线实现主放大器的负载斜率的改变,以达到最大的 Vin。

根据有源负载调制的原理以及公式(1),可以得出如图 3 所示 Doherty 功率放大器在一定回退功率范围内的漏级效率曲线图[5],而如图 4 所示为传统的 AB 类放大器的漏级效率曲线图[5],从而可以得出 Doherty 功率放大器在一定的回退功率范围内,可以维持最大效率。 

图 2 有源负载调制曲线图

图 2 有源负载调制曲线图

图 3 Doherty 漏级效率曲线图

图 3 Doherty 漏级效率曲线图

图 4 AB 类放大器的漏级效率曲线图

图 4 AB 类放大器的漏级效率曲线图

 

电路分析及设计指标要求

2.1 QPA2705 电路分析

QPA2705 是基于碳化硅基底的氮化镓材料以及 IPC3 MMIC 内匹配工艺,采用低成本的 Laminate 表贴封装技术设计成一个尺寸仅为 6*10mm 的可应用在大规模阵列天线系统中的高集成度 Doherty 功率放大器模块。如图 5 所示为其内部结构框图,包含了驱动放大器,主放大器和辅放大器以及 1/4 波长阻抗变换线,是一个两级放大并且输入输出 50 欧母内匹配的 Doherty 功率放大器模块。 

图 5 QPA2705 内部结构框架图

图 5 QPA2705 内部结构框架图

QPA2705采用了非对称的结构来提高回 7.5dB 退功率时的效率[7]。传统的 Doherty 功率放大器的最大效率是在 6dB 功率回退点 [5],非对称结构的 Doherty 可以根据不同峰均比的信号,通过选用合适的输入功率和不同的主辅饱和功率配比,可以使得 Doherty 功率放大器在回退信号峰均功率比值时,正好达到最高效率点。QPA2705 针对 7.5dB 峰均比的 LTE 信号,主、辅放大器选用 1:1.2 的功率配比,从而能够在 7.5dB 峰均比的情况下,达到最大效率点。

QPA2705 采用了反向结构来提高工作带宽[8]。 传统的 Doherty 功率放大器中的 1/4 阻抗变换线通常放在主放大器后面,以起到负载牵引的作用,但由于不同频段的阻抗变换线的长度不一样以致限制的工作带宽。针对 2496MHz 到 2690MHz 的工作带宽以及 3*20MHz 的信号带宽,QPA2705 采用了反向 Doherty 结构,把 1/4 波长阻抗变换线放在辅放大器后面,仅仅通过主放大器的内匹配以及相位延长线来实现有源负载变换,以达到最大工作带宽性能指标要求。

 

电路分析及设计指标要求

2.2 QPA2705 设计指标

QPA2705 主要是为 4.5G 或 Pre-5G 大规模天线阵列系统设计的功率放大器模块,具有高集成度, 高带宽,高效率,高线性,小型化等优点,并可以根据 不同数字预失真系统调节漏级电压以同时满足效率与线性的要求。根据 3GPP 的指标要求[9],设计指标如表1所示。

表1设计指标 

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电路测试及分析

3.1 基本射频性能测试

功率放大器的基本射频性能取决于输入输出匹配以及供电电压和静态偏置的状况,为了使器件在一定的功率范围内效率更高,可以选取不同的供电电压和静态偏置来折中漏级效率和整体线性的要求。

测试指标要求以及本测试条件:在 2496MHz 到 2690MHz 频段范围内,测试指标要求驻波小于 -10dB,增益大于 34.5dB,3dB 压缩点大于 45dBm。

本测试条件是在 24V 漏级供电电压和 -4.33V 辅放大器偏置电压,驱动级静态工作电流 50mA,主放大器静态工作电流 50mA,饱和功率测试信号是采用 8uS/80uS 的脉冲信号,测试频率范围 2500MHz 到 2700MHz,测试环境温度是 25 度,以及外加风扇以保持温度恒定。

表 2 是采用 Agilent E5071C 矢量网络分析仪对 S 参数测量和采用 E4438CESG 信号发生器以及 E4417A 功率计进行测量的结果。

表 2 S 参数和 3dB 压缩点测试结果

表 2 S 参数和 3dB 压缩点测试结果

由测试结果可以看出,在 2500MHz 到 2700MHz 频段范围内,输入端口的反射系数都在 -10dB 以下,小信号增益在 35dB 左右,平坦度在 0.3dB 以内,3dB压缩点功率在45dBm以上。此数据可以满足设计指标要求。

 

电路测试及分析

3.2 线性校准测试

应用在大规模天线阵列系统中的功率放大器对 线性度的要求极其严格,目前大部分厂商采用数字预失真的方法来提高线性度。本文使用 ADI 公司带 有数字预失真功能的收发模块对 QPA2705 进行线性化处理,配合使用方法:由于收发模块的驱动能力不足,需配有驱动放大器作为预驱动,然后对 QPA2705 进行数字预失真线性校准。

测试指标要求以及本测试条件:根据 3GPP 在 2496MHz 到 2690MHz 频段范围内的指标要求,在数字预失真校准后,邻道功率比要小于 -45dBc。

本测试条件是根据不同功率量级调整漏级供电电压,辅放大器的偏置电压为 -4.33V,驱动级静态工作电流 50mA,主放大器静态工作电流 50mA,测试信号是 7.5dB 峰均比以及 3*20MHz 的 LTE 信号,测试环境温度是 25 度,以及外加风扇以保持温度恒定,在 34dBm 到 37dBm 采用 24V 供电,37dBm 到 38dBm 采用 26V 和 28V 供电,以此来提高效率并保证线性度的指标要求。

表 3 是在 2605MHz 频点,7.5dB 峰均比以及 3*20MHz LTE 信号测试的数据,图 6 和图 7 是在 38dBm 输出功率时测试的初始邻道功率比和数字预失真处理后的邻道功率比数据,由测试结果可以看出,针对 34dBm~38dBm 区间的功率,漏级效率在 37.9%~44.41%,数字预失真技术处理后的邻道功率比可以达到 -50dBc 左右。此数据可以满足设计指标要求。

表 3 2605MHz 频点,7.5dB 峰均比以及 3*20MHz LTE 信号测试的数据 

表 3 2605MHz 频点,7.5dB 峰均比以及 3*20MHz LTE 信号测试的数据

 

图 6 初始邻道功率比

图 6 初始邻道功率比 

图 7 数字预失真后的邻道功率比

图 7 数字预失真后的邻道功率比 

 

结论

本文是基于 Qorvo 公司 QPA2705 器件,配合 ADI 公司自带数字预失真功能的收发模块,研究并测试了可应用在大规模阵列天线基站中的高集成度的功率放大器模块,在 2496MHz 到 2690MHz 频段范围内,针对 34dBm 到 38dBm 不同功率量级,通过调整功率放大器漏级供电电压来折中漏级效率和线性度的整体指标要求。

在 24V 漏级供电电压的情况下,34dBm 到 37dBm 功率范围内,漏级效率在 37.9%~44.16%,数字预失真技术处理后的邻道功率比可以达到 -50dBc 左右。

在 26V 漏级供电电压的情况下,38dBm 功率的漏级效率可以达到 44.41%,此时数字预失真技术处理后的邻道功率比可以达到 -48. 69dBc。

在 28V 漏级供电电压的情况下,37dBm 到 38dBm 功率范围内,漏级效率在 40.55% -42.33%,此时数字预失真技术处理后的邻道功率比都在 -50dBc 以下。

由此看出,QPA2705 功率放大器模块可以应用在大规模阵列天线基站中。

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