无线运营商们不断在寻找各种各样的方法,以来降低他们在基站无线电收发信机中发射机的年度运营成本,因为在基站中大部分的电能是消耗在发射机上的。Doherty放大器结构当前被大多数的3G和正在出现的4G 网络所应用,这种结构能够大幅度提升功放的效率。然而,为了达到最好的性能,这些放大器需要射频功放管满足Doherty结构施加的一些新的要求。飞思卡尔公司第八代(HV8)LDMOS FETs已经证明了在非对称Doherty放大器应用中,它们能够在很宽的带宽上超越50%的效率,以及同时实现优秀的系统线性指标。
高效率验证
HV8器件所带来的效率提升,在最严格的Doherty测试环境中,从对两个不对称Doherty参考设计的测试中得到了很好的验证,一个是900兆赫兹,另一个是2170兆赫兹。尽管不对称Doherty的配置直到最近才被应用于基站发射机,但是这个不对称构架形式已经变成了很多新设计的选择。Doherty对称放大器被优化设计成最高效率的产生在饱和在P-3dB回退6dB的时候。相比较而言,这种不对称的设计通过允许调整峰值效率从回退6dB到9dB,而带来了很大的灵活性。
器件内部和参考设计电路板上的阻抗已经被优化,来覆盖一系列的典型驱动情形、回退比率、效率、以及所期待的射频峰值输出功率水平。飞思卡尔可以向设计者提供这些参考设计连同原理图,物料清单,电路板DXF文件,调谐技巧以及典型的射频性能参数。
图一: 900兆赫兹 GSM HV8不对称Doherty参考设计。使用MRF8S9120N LDMOS FET作为主功放,应用在AB类偏压模式,使用MRF8S9200N FET作为辅助功放,应用在非常轻的C类偏压模式。
图一所示的960兆赫兹版本的HV8不对称Doherty参考设计,使用了一个MRF8S9120N LDMOS FET作为主功放,应用在AB类偏压模式,和一个MRF8S9200N FET作为辅助功放,应用在非常轻的C类偏压模式。MRF8S9120N内部带有预匹配,工作电压是28V;当输入峰均比为7.5dB的典型的单载WCDMA信号时,在输出平均功率为33W时其ACPR是-36dBc;在连续波测试条件下的P1dB的典型值是120W。MRF8S9200N使用同样的测试信号,在输出平均功率为58W时其ACPR是-36dBc;在连续波测试条件下的P1dB的典型值是200W;在VSWR=10:1,电源电压为32V时,在940兆赫兹它可以承受3dB以上的过驱动;同时它可以承受300W的连续波输出功率。
两个器件都集成有ESD保护;而且可以承受很大的反向栅源电压以更好地支持C类操作。这两个器件的组合具有400W的P-3dB;在8dB回退下(从P3dB)效率达到50%;在63W输出功率下,DPD校正后其ACPR优于-58dBc;在7dB回退下效率高于53%。详见图二所示。
图二:900兆赫兹校正及未校正的射频性能作为vs.射频输出功率显示在5db功率范围内,比较平整的ACPR响应。
2170兆赫兹版本的HV8使用一个MRF8S21120H LDMOS FET作为主功放,应用在AB类偏压模式,和一个MRF8S21240H LDMOS FET作为辅助功放,应用在C类偏压模式。MRF8S21120H在输入峰均比为7.5dB的典型的单载WCDMA信号时,在输出平均功率为28W时其ACPR是-38dBc。在连续波测试条件下的P1dB的典型值是200W;在VSWR=10:1,电源电压为32V时,在2140MHz它可以承受3dB以上的过驱动;同时它可以承受160W的连续波输出功率。在连续波测试条件下的P1dB的典型值是130W。MRF8S21240H在输入峰均比为7.5dB的典型的单载WCDMA信号时,在输出平均功率为56W时其ACPR是-35dBc。这个Doherty方案具有450W的P-3dB;在8dB回退下从P3dB效率达到50%;在70W输出功率下,DPD校正后其ACPR优于-58dBc;在7dB回退下效率高于52%.详细描述如图三所示。
图三: 2170兆赫兹参考设计,当测量在波段内三个频率下,展示了其平坦的增益响应和高效率
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多方面性能提升
飞思卡尔已经投入了相当大的研发精力,在改善HV8器件使用在数字预失真与Doherty结合的技术中。一些重要的指标,例如:AM/AM和AM/PM失真、峰值效率、峰值功率阻抗轨迹,以及超宽带射频扫描特性,已经引导了HV8器件的开发,这些工作直接帮助实现最大Doherty效率和保证与DPD结合后的优秀线性性能。
最终对比飞思卡尔前几代LDMOS器件,HV8器件在非对称Doherty技术应用中的效率高出了4%到6%之间,这无疑可以减少基站日常的运营成本。更为重要的是,HV8器件使得新一代的远端射频模块(RRU)更加的紧密和轻巧,远端射频模块从而提供了更加灵活和成本有效的方法应用于3G和4G网络中,也提供了当冷却环境有限时更大程度上的能源效率。比较传统的基于地面的基站,远端射频模块RRU更加要求较高的可靠性,当它们分布于难以覆盖的区域时。在过去的15年中,LDMOS已经成功的使用于这些射频功率应用领域,被证明了极好的可靠性和坚固性技术,而HV8延承了这一技术并且带来了更大的收益在ruggedness和长期可靠性方面。
小结
为应对当前以及下一代无限网络服务所面临的挑战,飞思卡尔将继续不断提高LDMOS FETs中的HV8系列器件的性能参数指标。本文中所描述的两个参考设计的测量结果,已经验证了飞思卡尔在这方面的技术进步。展望未来,基于成本有效的Doherty架构的性能提升,可能出现在每一个系统理论中——LDMOS技术,晶体管匹配以及PCB板的设计——所有的这些都将被更加的优化,以来应对3G和4G网络时代的挑战。
作者:Leonard Pelletier,
飞思卡尔半导体公司应用支持
本文来自电子工程专辑杂志9月刊,拒绝转载