Doherty结构获奖科研报告

Doherty结构获奖科研报告摘

要：高数据速率5G系统预计将在15GHz和100GHz之间的频率下工作，并在基站和手机中使用大量天线。其中代表性的功率放大器场景与当今的商用无线场景不同：将会有更多的功率放大器以低功率水平工作。然而，对信号峰均比的要求仍然很高，效率仍将是一个关键考虑因素。尽管Doherty结构的放大器不是实现5G系统中需求的唯一的可能结构，但它将成为5G应用中的主要竞争者。本文介绍了毫米波5G系统中功率放大器的新兴要求，描述了不同工艺技术中毫米波Doherty功率放大器的现状，列出了5G应用下功率放大器设计的挑战，并提供了除Doherty放大器以外的方法以满足需求的设计方法。

关键词：功率放大器;无线通信;毫米波放大器

第一章

引言

5G无线通信系统的目标包括超过100倍的扩展容量，高达>1Gb/s的更高数据速率，低于1mS的延迟以及改进的体验质量，延长电池寿命。5G系统的基石将是使用大量“小型单元”，覆盖距离为200-300米或更短。MassiveMIMO在5G系统中的关键作用也不同忽视，它利用天线阵列提供精确的波束控制以增加信号强度，减少干扰，并允许在许多环境中使用并行数据通道。5G系统还将利用电磁频谱的未封闭区域。国际上基本已经规划了5G通信的频率范围，将逐步部署频率范围低于6GHz的系统，然后是厘米波（特别是6-30GHz），后来是毫米波（30-100GHz）。

由于要利用毫米波上的载波频率，所以5G无线通信时需要提供大量天线，其中基站上的天线数量大于100，手机上所需要的天线数量大于16。这些需求也就导致了功率放大器的规格与3G和4G的性能要求大不相同。在5G的未来，基础的晶体管技术以及电路实现方法可能与传统意义上完全不同。

第二章

毫米波和厘米波上5G的需求

5G系统中的天线间距约为自由空间波长的1/2。28GHz的16×16天线阵列尺寸为8cm×8cm。为了支持这些天线，预计需要多个射频前端芯片，每个天线配置为一个射频前端如图1所示，或者每个4到8个天线可能配置一个射频前端芯片。

对于最低载波频率，信号带宽可以是100MHz，在高毫米波状态下增加到2GHz，PAPR值在8到12dB的范围内。因此，射频前端芯片PA所需的峰值功率水平相对较小。图2给出了基站和手机在不同频率区域估计的峰值功率要求的概念。叠加的粗略估计值对应于各种技术与频率（对于单个模块或以芯片形式）所展示的峰值功率水平。在5G要求中，多种工艺技术可以提供所需的功率，包括未来的基于硅的电路，甚至可以应用于用于基站。这个阶段是为了激烈的競争，其中效率和成本将是重要的考虑因素;由于应避免天线阵列的精细散热，平均功率水平的效率在许多情况下是关键的。

第三章

毫米波的doherty结构设计

Doherty放大器的回退效率得到改善，在毫米波状态的频率下已经很好地建立起来。，至少在较高频率下，Doherty结构可以很好的在片上实现阻抗反转和匹配。由于毫米波5G的分数带宽很小（6-10%），在1-2GHz处受到关注的带宽限制在这里也不适用。然而，有一些值得注意的挑战主要与增益有关。Doherty效率的提高源于对不同退避水平使用不同的负载阻抗，并且随着阻抗的变化，增益可能会显着降低。连接主放大器和峰值放大器的输入功率的消耗（即使在峰值放大器关闭时）也是有问题的。与四分之一波传输线相关的损耗可能很大，这会降低效率并使负载调制效率降低。在III-V族工艺中，通常使用微带线，可以利用在晶片背面具有接地平面的特性，带来最小化损耗;在基于硅的工艺技术中，接地平面和信号线都包含在顶部金属层中，因此线必须更窄以保持给定的阻抗，并且损耗更高。谐波终端的效率提升通常是无效的。

许多Doherty结构的PA已经在10GHz以上得到证明。最近在26GHz使用0.15μmGaAspHEMT的高性能结果为，功率附加效率在峰值时达到36%，并且在6dB回退时效率仍然高于25%。增益为10.3dB，两级级联实现的最大输出功率为26dBm。

为了提供潜在的更低成本和附加功能，业内已经注意到基于硅的解决方案。尽管Doherty设计的示例很少，但是在SiGeHBT和CMOS工艺中已经广泛地研究了毫米波功率放大器。早期报道的采用90nmCMOS实现的75GHz放大器实现了6dB的退避效率15.6%（峰值效率31%，峰值功率11.7dBm）。采用CMOS/SOI的代表性高功率放大器为了增加电压处理和输出功率，在单元放大器中使用两个nMOSFET的堆叠技术，在中间节点处优化了阻抗匹配，以便最大化增益。为了缩短传输线阻抗逆变器并使损耗最小化，使用慢波结构。在45GHz时，单级放大器提供7dB的峰值增益，Psat为18dBm，峰值PAE为24%，6dB回退效率为16%。芯片面积相对较小，应该可以直接集成到具有多种功能的芯片中，或者提供多个输出。通过回退获得显着的变化，并且必须改变峰值放大器的栅极偏置以便转动峰值放大器适当地，使信号输入电路复杂化。

在80GHz时，已经在CMOS中展示了一种创新的Doherty，它使用变压器而不是传输线来实现负载调制。该设计采用非对称结构，因此在全功率运行时，峰值放大器提供大部分输出。为了在输入功率增加时适当地控制峰值放大器的增益，在芯片上结合自适应偏置网络。该放大器输出功率为16.2dBm，峰值效率为12%，6dB回退效率为11%。

第四章

总结

Doherty放大器可能在5G毫米波PA/天线阵列中起主要作用。然而，与迄今为止所证明的相比，提高效率的空间很大。5G为功率放大器创新提供了肥沃的土壤。在本文中，