要解决5G应用中GaN与GaAs器件的封装难题,这是个好方法

Stephan Marold&Mariano Ercoli · 半导体行业观察·2019-02-05 10:41

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5G的引入将为更多用户带来比以前更高的移动数据速率。然而,实现更高的带宽,以实现这一目标是一大难题,需要该行业应对许多技术挑战。

运营商需要转移到2.7 GHz以上的载波频率才能访问更多频谱,因此,多输入多输出(MIMO)天线阵列将用于5G网络,为密集城区的多个用户提供高数据速率。5G承诺的数据速率还需要大的瞬时信号带宽(超过200 MHz),并使用更复杂的调制方案。

这些挑战将推动对可用于64或128路MIMO天线的小型、低功耗、经济、高效的功率放大器(PA)的需求。5G中使用的调制方案的复杂性增加也将要求PA保持高效,即使在超过8dB的深输出功率回退(OBO)条件下也是如此。

这些要求对当今横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)PA技术的能力提出了挑战。作为回应,业界一直在探索氮化镓(GaN)技术以填补性能差距,然而,它在应用当中的拓展受限于半导体材料的成本和昂贵的陶瓷封装的使用。

本文作者一直探究解决这些问题的方法,而通过构建超紧凑的3.5GHz GaN Doherty功率放大器就是一条有效途径,可以将其集成到经济高效的QFN塑料封装中。我们使用了两级GaN核心PA单片微波集成电路(MMIC),而集成无源器件(IPD)也可以在同一封装中实现,极大地节省了尺寸。

下面,我们将分析两种新的高度集成的Doherty PA设计,特别是封装材料和工艺技术,这些设计可能对5G应用产生重大影响。

技术平台

这里所采用的功率放大器是28V GaN MMIC,采用0.25μm栅极长度的GaN-on-silicon-carbide(GaN-on-SiC)技术制造。我们选择28 V砷化镓(GaAs)工艺来构建IPD,主要是因为其厚厚的低损耗金属层堆栈使我们能够在3.5 GHz使用质量因数(Qs)为40的高性能电感器。

这两种die采用7×7 mm QFN塑料包覆成型封装。为了提高耐热性,使用厚铜引线框架,标准金键合线用于互连。

我们使用两种不同的高增益,两级GaN PA MMIC,每种MMIC代表两种不同Doherty PA架构的核心(图1)。第一种方法使用20 W峰值功率不对称MMIC,其最终级晶体管的载流子与峰值尺寸比为1:2 (图2)。第二个MMIC设计用于具有26 W峰值输出功率的对称PA。两者都在最后阶段使用二次谐波输入短路以最大化效率。输出谐波由并行电路类E类匹配拓扑终止,该拓扑用作集成Doherty组合器的基础。

图1:封装集成的Doherty功率放大器基于两级GaN MMIC。非对称版本在印刷电路板上具有输入功率分配器和相位偏移,而这些功能在对称设计中集成在QFN封装中。

图2:这里显示的是一块印刷电路板,其中包含一个7×7 mm QFN封装的非对称GaN Doherty功率放大器,输入分路器位于左中心,输出匹配位于中间右侧。

这样就可以创建一个倒置Doherty电路,通过使用比传统Doherty网络设计更复杂的匹配网络来最小化载波PA路径中的损耗。该方法集成了输入功率分配器,具有相位偏移,输出匹配至50Ω,以及印刷电路板(PCB)上所有必要的相位偏移。

测量非对称GaN MMIC Doherty PA

下面,在+35 dBm的输出功率水平下进行测量(除功率扫描外),相当于与相关的OBO平均功率约为8 dB。大信号S参数在频率范围为3.4~3.6 GHz的PA带宽内显示26 dB的平坦增益和优于10 dB的输入回波损耗(图3中的;红色曲线)。

图3:图中分别显示了在+35 dBm和+30 dBm输出功率下测得的非对称(红色)和对称(蓝色)Doherty PA板的增益和输入回波损耗。

大信号测量表明,PA在3.4~3.6 GHz的3 dB增益压缩(P3dB)下提供18~21 W的输出功率(图4)。最高line-up功率附加效率(PAE)高于49%,在高OBO值为8.5~9 dB时,其范围为40%~44%。对于增加的输出功率而言,增益是平坦的,在设置峰值放大器之前,主放大器路径中的压缩量大约为1 dB。

图4:执行非对称Doherty PA板的CW功率扫描测量。显示的是3.4,3.5和3.6 GHz的AM / AM和PAE。

完整的PA使用单载波20MHz LTE信号进行表征,峰均比为7.2 dB,平均输出功率为+35 dBm,频率范围为3.4~3.6 GHz。放大器显示出平坦的频率响应,增益从26.2到26.6 dB不等。PAE的范围为41.5%~43.1%。

非对称Doherty PA实现-24 dBc的原始邻信道功率比(ACPR)。我们使用与大规模MIMO应用相关的数字预失真(DPD)方案的结果表明,ACPR优于-50 dBc,LTE信号带宽高达40 MHz。

测量完全集成的对称Doherty PA

我们使用对称GaN PA MMIC构建了完全集成的Doherty PA。GaN MMIC与GaAs IPD集成,其中包含输入功率分配器,输入相位偏移和输出Doherty组合器,匹配50Ω。所有产品都集成在一个QFN封装中,使得简化的PA演示板只需要添加去耦电容和输出隔直电容(图5)。

图5:显示的是包含对称GaN MMIC Doherty PA的电路板,它集成了输入分配器,输入相位偏移和输出Doherty组合器,具有谐波终端和50Ω匹配。

该电路实现了比非对称版本更高的RF带宽,小信号增益约为30 dB(参见图3)。在连续波(CW)条件下,PA板产生的P3dB为+44.3 dBm,最大PAE为52%,在6 dB OBO时PAE为44%。对称放大器板使用平均输出功率为+36.3 dBm的20 MHz LTE信号,增益为28.7 dB,PAE为40%,原始ACPR为-25 dBc。

性能对比

图6比较了两个Doherty PA板的性能。输出功率归一化为峰值功率。

图6:该图说明了对最大输出功率(P3dB)归一化的完全不对称(红色)和对称(蓝色)Doherty PA板的增益(虚线)和PAE(连续)的比较。

与非对称版本相比,对称Doherty由于输入分配器中的较低损耗和相等的功率分配比而实现了2~3 dB的增益。我们还看到,由于驱动晶体管功耗的影响较小,对称PA的PAE比非对称方法(低至6 dB OBO)高1~3个百分点。

测量结果还表明,8 dB OBO下非对称PA的PAE比对称方法高8~10个百分点。然而,这是以降低线性度为代价的。

对于对称PA,AM / AM压缩更平滑,AM / PM曲线单调增加到小于10度。(图7)。对于非对称PA,两种形状都遵循更复杂的功能。这意味着非对称设计需要更复杂的DPD算法进行线性化处理。

图7:该图显示了归一化到最大输出功率(P3dB)的完全不对称(红色)和对称(蓝色)Doherty PA板的AM / PM(虚线)和AM / AM(连续)的比较。

结论

我们使用采用低成本工业塑料QFN封装的MMIC PA构建了两个版本的Doherty PA板。在电磁(EM)仿真期间考虑了封装的寄生效应,以最大限度地减少其对总损耗的贡献。这使我们能够构建一个非常小的电路板来承载PA和相关组件,这是为5G网络构建大规模MIMO天线阵列的重要一步。

Stephan Marold&Mariano Ercoli · 半导体行业观察·2019-02-05 10:41

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