Qorvo深度丨GaN瞄准3.5GHz，走向5G
无线网络基础设施需求料将继续快速增长。为了适应和满足这些需求，无线通信基础设施不断发展。网络运营商则一如既往地致力在成本、容量、覆盖率、用户体验质量、可靠性、功能性、互操作性、频谱效率、移动性等诸多方面取得持续改进。
这并不意味着需求微不足道。思科报告显示，2014年，移动流量增长了69%，每月达2.5EB。如果用另一种说法来表述这一级别的数据传输速率，那就是，在2014年，移动流量接近2000年全球互联网流量的30倍。据预测，到2019年，月均数据速率将达当前速率的10倍，增至每月24 EB。促进数据流量增长的因素既包括传统移动用户，也包括各类数据连接[所谓物联网(IoT)]的预期增长。对额外网络容量的需求似乎永无止境，随着LTE在世界各地不断普及，网络运营商已经计划迎接移动网络的下一次重大演进——5G。
5G是第五代移动基础设施网络，融合了多项网络技术进步，也承载了人们的诸多期望。就如前几代网络一样，5G预计将进一步提高频谱效率，支持更多用户，提供更高的数据速率，并改善用户体验。网络运营商到底以什么方式打造5G体验，尚不得而知；但很清楚的是，所有网络运营商都有着一个共同的需求，那就是以更多的带宽满足不断增长的网络需求。利用额外的频谱是下一代网络系统的一大要求，也是其重点之一。众多研发项目涵盖了全部频段：低频空白电视信号频段；2.4和5GHz未许可频段；15、28-30、50、60和71-86GHz的现有点对点和点对多点频段（E频段）；以及3.5GHz。每个频段各有利弊，并且随着异构网络的不断延伸，下一代网络解决方案很可能将涵盖所有这些频段。
3.5GHz频段为满足不断增长的频谱需求提供了一种现实可行的解决方案，网络运营商无需等待5G解决方案。对硬件制造商来说，与频率更高的替代方案相比，3.5GHz解决方案所需设计平台与现有的传统蜂窝频段非常相似。
3.5GHz总共提供200MHz的频谱，范围为3.4-3.6GHz；在全球多数地区，该频段都是可用的，并且被公认为潜在的TDD全球协调频段。在移动基础设施3.5GHz技术的运用方面，日本走在前列，而最近报道显示，中国的现场试验也是不断增多。欧洲早已分配了固定宽带频段；移动基础设施有望在未来运用中占据主导地位。由于部分频段供雷达使用，因此，美国在与世界其他地区协调频段时面临着更多的困难。然而，FCC最近面向商业用途开放了100MHz频段，即最新流行的“创新频段”。鉴于这些频谱分配情况，3.5GHz将在未来的网络扩张中发挥关键作用，既有可能用于载波聚合，也可能独立发挥作用。
这些新动向将带着一个共同的主题继续下去，即网络密度将不断增大。不断增大的网络密度采用的是一种分层模式，即通过安装多个接入层的方式来提高高流量区域的容量。根据覆盖区域的室内或室外性质，现有基站可提供各种功率水平，具体情况往往因制造商而异：
• 毫微微蜂窝，不到0.25 W；
• 微微蜂窝，0.25-0.5 W；
• 微蜂窝，1-5 W；
• 城域蜂窝，5-10 W；以及
• 传统宏蜂窝，10 W以上。
借助多种多样的功率水平，运营商可以获得极大的灵活性，能够在网络中搭建体积更小、密度更大、容量更高的覆盖区域。起初，3.5 GHz被认为是仅适用于小型蜂窝基站的理想方案，但目前来看，它有望在各个功率水平实现部署，为网络运营商带来一种全层次的解决方案。
为了响应对室外3.5GHz解决方案不断增长的需求，Qorvo已着眼于1、2和20W天线参考平面平均输出功率，开发新型GaN放大器产品和Doherty功率放大器参考设计。将来则会面向10W城域蜂窝和40W宏蜂窝解决方案进行开发。GaN是该频段的理想选择，因为它具有高增益、高功率密度和高效率的特点，在性能上远远优于竞争技术。此类设计采用了Qorvo的栅为0.25µm的100mm（4英寸）晶圆碳化硅基氮化镓工艺。Qorvo丰富的工艺选项为小型蜂窝应用提供了28-32V的工作电压方案，为宏蜂窝应用提供了48V的工作电压方案。过去几年中，100mm GaN的成本已大幅下降，而计划中的150mm（6英寸）晶圆过渡方案还会进一步降低成本。
相比栅极宽度更宽（如0.5 µm）的GaN工艺，0.25 µm GaN拥有更高的增益和工作频率。为了使功率放大器产品（包括驱动器和前置驱动器级）维持高效率，最终Doherty放大器（3.5 GHz频段的绝佳选择）的增益需要尽量高。与GaAs或硅相比，GaN的高功率密度有利于降低Cds，从而提高带宽。借助器件的低Cds和较高的固有阻抗，可以打造出适用于高视频带宽应用的内部封装匹配网络。3.4-3.6 GHz频段的视频带宽必须较高，因为100 MHz的信号带宽已纳入规划，而200MHz则在讨论中。
3.5GHz下，功率放大器(PA)与天线之间的插入损耗（包括环行器、电路板损耗和滤波）估计为2dB。因此，如果天线端的平均辐射功率为20W，则Doherty功率放大器参考平面将要求32W的功率。Doherty功率放大器的所需峰值功率为调制载波峰值-均值比的函数。对于宏蜂窝基站的下行链路LTE信号，经削峰，峰均比一般都在7dB左右。功率放大器技术规格中另外增加了1dB的数字预失真(DPD)裕量，用于补偿温度性能和器件间差异。因此，当天线端的平均功率为20W时，峰值功率必须为200W，即比32W高8dB。
图 1 对称型Doherty功率放大器在频段42中实现2 W平均输出功率。该设计采用了两个TQP0103 GaN晶体管，二者均采用3 × 4 mm塑料QFN封装。
为了展示GaN的性能，我们开发了一种面向频段42（3.4 - 3.6 GHz）的对称Doherty功率放大器参考设计。其天线端输出功率为2W，Carrier和Peaking放大器均采用TQP0103 GaN晶体管（见图1）。在8 dB回退条件下，功率放大器可提供超过20W的峰值功率，效率超过44%。增益和效率为为输出功率的函数，如图2所示。
图2 对称型Doherty功率放大器的增益和效率（为输出功率的函数），采用单载波、64 DPCH、10 dB PAR WCDMA测试信号，频率为3.5 GHz。
针对天线端1 W平均输出功率的方案采用非对称型Doherty功率放大器，其carier放大器采用的是TQP0102 GaN晶体管，peaking放大器则采用TQP0103。peaking放大器与载波放大器的功率比为2:1。在8 dB回退条件下，非对称型Doherty功率放大器的效率高于对称型Doherty功率放大器。在放大器参考平面，这种参考放大器设计将实现50%以上的效率。在相同的回退功率下，这会使效率比对称型Doherty功率放大器提升6个点以上。
设计非对称型Doherty功率放大器时必须格外谨慎，要确保Doherty功率放大器的AM-AM和AM-PM响应平滑且单调，这是配合DPD使用时的必要条件。当峰值放大器从关闭切换至开启状态，并且把载波放大器负载调制到峰值功率转换过程中，增益和相位响应必须具有单调性。要实现适当的增益和相位响应并非易事，因为要采用两个不同的器件，二者都有着不同的增益和相位响应。另外，工作模式也不相同，载波放大器为AB类，峰值放大器则偏置为C类。试验表明，非对称型GaN Doherty设计可以实现优于-60 dBc的ACPR性能，其中，信号带宽为10 MHz，采用的是第三方DPD系统（见图3a）。在20 MHz LTE信号条件下，DPD可在较宽的回退功率水平范围内实现优于-57 dBc的ACPR性能（见图3b）。范围为从深度回退（此时，仅载波放大器处于活动状态）一直延伸到峰值放大器开启和负载调制载波放大器的跃迁过程。只要平均功率加调制载波的峰值-均值比之和小于Doherty放大器的饱和功率，DPD就会改善线性度。DPD系统在功率超过Doherty放大器的饱和功率能力时无法补偿非线性度。在尝试补偿时，ACPR性能会快速下降，斜率几乎达垂直状态。图3所示为一个6.5dB PAR的功率回退驱动至6.5dB以下时的情况。
图3 非对称型Doherty功率放大器的ACPR与输出功率（P3dB以下），其中，(a)为10 MHz、6.5 dB PAR WCDMA信号，(b)为20 MHz、6.5 dB PAR LTE信号。
恒值线在20W平均功率（天线端）参考设计中同样采用了非对称型Doherty架构。该放大器采用QDP3600作为载波放大器，T1G4012036- FS作为峰值放大器，二者的工作电压均为48V。负载旨在以实现70W和140W的载波和峰值放大器功率，减去Doherty功率放大器输出功率下200W的合并P3dB值。设计基于晶体管的负载牵引测量值。载波放大器在3.5GHz条件下的负载牵引恒值线如图4所示。红色恒值线展示了器件的峰值功率(P3dB)能力。黑色圆是3:1 VSWR条件下的最大功率恒值线，展示了器件在Doherty配置中可以实现的载波放大器效率匹配条件。绿色恒值线和蓝色恒值线分别表示Doherty放大器在45dBm的目标平均功率下的增益和漏极效率。在3:1 VSWR圆左侧，可以看出，60%的漏极效率和19.6dB的增益，在载波放大器效率相匹配时，是可以实现的。当峰值放大器开启时，它会把载波放大器负载调制到3:1 VSWR圆的中心，其负载条件为48.9dBm P3dB。当峰值放大器匹配至功率比为2:1时，在45dBm平均输出功率条件下，预期设计性能为14dB的增益和55%的效率。
图4 一个非对称型20W Doherty放大器中所用QDP3600载波放大器晶体管的负载牵引输出功率、效率和增益恒值线。
这一效率水平显著高于硅LDMOS，后者是蜂窝基础设施市场的现行功率放大器技术。GaN与LDMOS之间的差异随着频率的增加而增大。根据数据手册中的技术规格，目前LDMOS正在开发的最新3.5 GHz器件采用Doherty功率放大器时的预期效率为37.5%。
对于未来的5G网络，坊间谈论颇多并为之振奋。虽然3.5GHz频段尚未完全发挥出作为全球协调频段的潜力，但3.5GHz仍有许多机会，能够在5G部署尚需时日之际，满足对移动基础设施带宽的近期需求。无论是小型蜂窝还是宏蜂窝部署项目，新频谱开发计划均呈快速增长之势，其中，GaN完全可以满足对高功率、高效率和宽视频带宽的需求。
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