摘要
随着第五代移动通信技术（the5thgenerationofwirelesstechnology,5G）的快速发展，大规模多入多出技术的广泛使用以及频率更高的新空口频段的启用使得功率放大器（简称为功放）的小型化集成化势在必行。为了进一步提高数据的峰值传输速率以及频谱资源的利用率，调制信号的带宽越来越大且调制方式愈发复杂，这使得调制信号的峰均比越来越大。Doherty功放作为无线通信基站系统中广泛使用的功放架构，具有功率回退时效率高的特点，但在带宽、效率、线性度以及尺寸等方面面临诸多设计挑战，尤其是毫米波段Doherty功放设计。本文对用于5G通信系统的Sub-6-GHz和毫米波氮化镓Doherty功放芯片进行深入的研究，进一步展宽Doherty功放芯片的带宽，提升回退效率，实现功放芯片的小型化，以满足5G通信系统中发射机的需求。论文的主要研究工作和创新点如下： 一、提出了一种负载调制增强的毫米波同步氮化镓单片集成Doherty功放芯片，通过降低负载调制网络相位色散因子拓展工作带宽，可以在毫米波频段实现最佳的饱和特性。给出了具有最小相位色散因子的等效四分之一波长线的优化调谐方法。系统地分析输入功分比对放大器负载调制行为的影响，为合理选择输入功分比以增强放大器的负载调制提供了理论依据。采用0.15-umGaN-HEMT工艺研制的24-28GHz氮化镓单片集成Doherty功放芯片，实现了35.4-36dBm的饱和输出功率以及27.8%-36.8%的饱和效率，6-dB回退效率为18.3%-30.1%，9-dB回退时效率高于14.3%。采用400-MHz瞬时带宽调制信号进行测试，数字预失真处理后的相邻信道泄漏比（AdjacentChannelLeakageRatio,ACLR）为-40dBc，误差向量幅度（ErrorVectorMagnitude,EVM）为2.76%，平均效率达到27.4%。上述研究成果已经在国际核心期刊IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques上发表。 二、提出了一种基于等效并联管芯技术的非对称毫米波氮化镓单片集成Doherty功放芯片。峰值放大器功率级晶体管采用等效并联管芯技术，并将每个并联晶体管的输出电容分别进行了谐振抵消，而载波放大器功率级晶体管的输出电容则进行了吸收处理，解决了传统毫米波非对称Doherty功放中峰值放大器功率级大尺寸晶体管增益较低、关断状态下输出阻抗小以及饱和效率偏低等问题，实现了更好的宽带特性。采用0.15-umGaN-HEMT工艺研制的24-28GHz非对称氮化镓单片集成Doherty功放芯片，饱和输出功率为35.4-37.6dBm，对应的饱和效率为23.7%-34.4%。8-dB和9-dB回退效率分别为15.5%-30.7%以及14.3%-28.8%。采用400-MHz宽带调制信号激励时，平均效率可以达到29%，且数字预失真后ACLR为-40dBc，EVM为2.76%。该放大器是目前8-dB和9-dB回退效率最高的一款毫米波频段两级架构的Doherty功放。上述研究成果已投稿至国际核心期刊IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques。 三、针对Sub-6-GHz氮化镓Doherty功放芯片效率提升及小型化问题，提出了一种采用单并联LC谐振块进行谐波阻抗后匹配的新型谐波阻抗匹配方法，以及改进的宽带紧凑型负载调制网络。仅使用一个并联LC谐振网络即可将载波及峰值放大器的二次谐波负载阻抗同时匹配至最佳区域，通过对两个π型高通等效四分之一波长线进行合并优化，形成改进的负载调制网络，展宽了工作带宽，提升效率。采用0.25-umGaN-HEMT工艺分别研制了两款Sub-6-GHz单片集成Doherty功放芯片。此外，针对单片集成方案成本较高的问题，研制了一款负载调制网络基于全分布式电感的3.4-3.8GHz氮化镓准单片集成Doherty功放芯片。测试结果表明，实现了30W的饱和输出功率以及60.4%-66.5%的饱和漏极效率，8-dB回退处的漏极效率为45%-49%。上述研究成果已经在国际核心期刊IEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters和ElectronicsLetters上，以及国际会议2019IEEEInternationalSymposiumonRadio-FrequencyIntegrationTechnology(RFIT)和202151thEuropeanMicrowaveConference(EuMC)上发表。 四、针对Sub-6-GHz氮化镓Doherty功放芯片带宽展宽问题，理论分析了峰值放大器偏置在C类状态的输出电容对氮化镓单片集成Doherty功放芯片带宽特性的影响，提出了一种混合匹配方法，采用简单的T型带通网络对峰值放大器进行匹配，并对峰值晶体管工作在C类状态下的输出电容进行合理的补偿，在展宽带宽的同时实现了充分的负载调制。采用0.25-umGaN-HEMT工艺研制的4.6-5.5GHz宽带高效氮化镓单片集成Doherty功放芯片，饱和输出功率高于41.1dBm，饱和漏极效率高于57.6%，6-dB回退效率为51%-56.4%。使用160-MHz调制信号进行激励，采用数字预失真技术后，放大器平均效率可以达到54%，数字预失真后ACLR为-47dBc。上述研究成果已经在国际核心期刊IEEETransactionsonCircuitsandSystemsI:RegularPapers上发表。 五、提出了基于双电抗补偿及可调漏极电压技术的模式可切换宽带氮化镓Doherty功放，通过拨码开关实现宽带模式和具有更大功率回退范围的双频模式的一键切换，使用单输入架构即可实现124％的相对工作带宽。为了改善双频模式下的负载调制不充分问题，提出通过同时调整载波和峰值放大器的漏极电压的最佳负载电阻增强技术。实测结果表明，该放大器在0.8-3.4GHz带宽内可以实现高于43.4dBm的饱和输出功率以及51.3%-70.3%的饱和漏极效率。宽带模式的工作频率为1.3-2.9GHz，而双频模式的工作频率为0.8-1.3GHz和2.9-3.4GHz。在宽带模式下，该Doherty功放的6-dB回退效率为45.3%-56.1%。在双频模式下，该放大器的8-dB回退效率为41.6%-57.9%。上述研究成果已经在国际核心期刊IETMicrowave,Antennas＆Propagation和国际会议2020IEEEAsia-PacificMicrowaveConference(APMC)上发表。
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