基于低壓驅(qū)動器實現(xiàn)RF功率放大器效率的提高

隨著無線數(shù)據(jù)的使用不斷增多，人們迫切希望未來的通信系統(tǒng)能夠以更高的能效傳輸更多的數(shù)據(jù)，以便降低運營成本，并增加移動設(shè)備的電池壽命。

對于發(fā)射機的功率放大器（PA）來說，由于其需要在應(yīng)對最新蜂窩標準所用復雜寬帶調(diào)制方案所需高峰值平均功率比（PAR）的同時實現(xiàn)高平均效率，因此要同時滿足這兩個要求，尤其具有挑戰(zhàn)性。

PA的平均效率主要取決于驅(qū)動器和末級的效率。

我們已經(jīng)構(gòu)建了一個高效的兩級GaN RF PA MMIC，它采用一個低壓工作的GaN晶體管作為驅(qū)動器。這可以通過降低驅(qū)動器的功耗和消除其與末級之間級間匹配的需要，來提高整體PA的平均效率。

盡管負載調(diào)制引起的輸出功率變化很大，但MMIC的末級采用準負載不敏感（QLI）的E類負載網(wǎng)絡(luò)來終止，從而可以實現(xiàn)高效率。該負載網(wǎng)絡(luò)采用標準的RF封裝，并利用鍵合線和封裝引線電容來實現(xiàn)。

負載牽引測量結(jié)果表明，盡管負載調(diào)制多種多樣——例如輸出功率可以有8dB變化——但PA的總功率效率仍然大于70%。由于能始終保持這種高效率，因此該MMIC對有賴于負載調(diào)制的PA架構(gòu)（例如Doherty和異相方法）非常有用。

我們使用此MMIC創(chuàng)建了一個演示PCB。該系統(tǒng)的線性增益約為27dB，在2.14GHz、輸出功率為35.4dBm時，最大效率為76%。驅(qū)動器和末級的電源電壓分別為5.5V和25V。我們在我們的演示裝置中使用了帶矢量切換廣義記憶多項式數(shù)字預(yù)失真（VS-GMP DPD）算法的WCDMA信號，并在29.4dBm的平均輸出功率下實現(xiàn)了-52.4dBc的相鄰信道泄漏比。

電路架構(gòu)

傳統(tǒng)和新型低壓驅(qū)動器RF PA陣容的原理圖，分別顯示在圖1的左側(cè)和右側(cè)。

圖1：左側(cè)是傳統(tǒng)的高壓驅(qū)動器RF PA，右側(cè)是低壓驅(qū)動器RF PA。

傳統(tǒng)方法對驅(qū)動器和末級使用相同的電源電壓，因此整個PA需要在其驅(qū)動器和末級之間添加一個匹配網(wǎng)絡(luò)。在驅(qū)動器上使用低電源電壓，可以充分降低其輸出阻抗，而使整個PA不需要這樣的匹配網(wǎng)絡(luò)，從而可降低功率損耗。低驅(qū)動器電源電壓還可降低驅(qū)動器的功耗，從而提高整體效率。去掉級間匹配網(wǎng)絡(luò)還可降低MMIC的尺寸，從而降低成本。

圖2比較了仿真條件下傳統(tǒng)高壓和新型低壓驅(qū)動器RF PA拓撲的整體效率。雖然仿真得到的漏極效率（DE）對于高壓和低壓情況幾乎相同，但功率附加效率（PAE）卻存在顯著的差異。

圖2：當PA工作在2.14 GHz時，兩種驅(qū)動器架構(gòu)的漏極效率（上圖）和功率附加效率（下圖）的仿真比較。

兩級GaN HEMT MMIC設(shè)計

此MMIC采用Fraunhofer IAF的0.25μm GaN HEMT技術(shù)在多項目晶圓上構(gòu)建為兩級放大器。驅(qū)動級和末級的總柵極寬度分別為0.488mm和2.4mm。末級晶體管和驅(qū)動器晶體管以及交流耦合電容和柵極偏置電阻均集成在一塊裸片上，如圖3所示。

封裝內(nèi)準負載不敏感的E類負載網(wǎng)絡(luò)

盡管負載調(diào)制引起的輸出功率變化很大，但MMIC的末級仍采用QLI E類負載網(wǎng)絡(luò)終止，以便確保高效率。

MMIC及其QLI E類負載網(wǎng)絡(luò)采用SOT1112A標準埃賦?。ˋmpleon）空腔陶瓷封裝，并使用鍵合線和封裝引線電容產(chǎn)生兩個關(guān)鍵的電抗元件：4.9nH的L1和1.5pF的C1。

圖3：已組裝MMIC及其負載網(wǎng)絡(luò)的原理圖。

圖4顯示了已封裝MMIC在負載牽引測量下的效率，表明已封裝MMIC可以在大負載變化下保持其高效率。

圖4：低壓驅(qū)動器MMIC在2.14GHz脈沖負載牽引測量期間的漏極效率和功率附加效率。

構(gòu)建演示板并使用已調(diào)信號對其進行測量

為了進一步證明低壓驅(qū)動器方法的價值，我們設(shè)計了一個PCB來安裝此MMIC，并調(diào)整其輸出負載，以匹配此MMIC在上述負載牽引測量下單獨實現(xiàn)其最大效率時的阻抗。

PCB板采用Rogers RO4350B作為基板來制備。圖5中顯示了該PCB板及其偏置和匹配元器件。

圖5：PCB上的元器件及其值，以及已安裝PA小插圖。

圖6顯示了已安裝PA采用2.14GHz連續(xù)波信號測得的漏極效率、功率附加效率和增益。峰值PAE為76%。驅(qū)動器功耗非常低，以至于在低輸出功率和高輸出功率水平下，漏極和功率附加效率之間的差異可以忽略不計。在2.14GHz時測得的小信號增益約為27dB。

圖6.最終電路測得的增益、漏極效率（黑線）和功率附加效率（紅色方塊）。

總結(jié)

使用低壓驅(qū)動電路有助于在0.25μm GaN HEMT技術(shù)中實現(xiàn)高整體PA效率。我們的測量結(jié)果表明，采用RF封裝組裝、具有QLI E類負載網(wǎng)絡(luò)的低壓驅(qū)動器MMIC，可以在輸出功率有8dB變化的情況下，創(chuàng)建效率保持大于70%的PA。這樣，對于有賴于負載調(diào)制的PA架構(gòu)（例如Doherty和異相方法）來說，此MMIC就能夠成為良好的候選器件。