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3.4GHz-3.8GHz 宽带基站功放解决方案
-能讯GaN功放管DX1H3438140P性能介绍
录入时间:2017/3/8 0:38:18

中国5G移动通信系统已经完成了第一阶段对于大规模天线、多址多载波、高频段通信等关键技术的试验,同时也验证了高达Gbps的用户体验速率、毫秒级端到端时延、每平方公里百万节点等多样化场景需求;目前运营商已经展开了第二阶段的试验,开展面向移动互联网、低时延高可靠和低功耗大连接三大5G典型场景的无线空口和网络技术方案的研发与试验,测试频率为3.6 GHz, 并计划在2017年底前完成测试,为 2018年的5G 通信实验网开通做准备。

为了实现高速大容量的用户体验,势必拓宽信号带宽,在一系列规划频段中,3.4 GHz-3.8 GHz频段率先成为全球的热点频率,引起全球移动产业的重点关注。各大设备商重点开发面向3.4 GHz-3.8 GHz的宏站或一体化小型基站。比如诺基亚的TD-LTE 3.5 GHz 8T8R宏站RRU和4T4R低功率RRU以及一体化小基站。爱立信的宏站Macro Radio 2218和微站Micro Radio 440均聚焦3.4 GHz-3.8 GHz应用。华为和中兴也纷纷推出了基于3.4 GHz-3.8 GHz的多载波宽带RRU,载波信号带宽均超过150 MHz。

各大射频功放管厂商也争先恐后,推陈出新,不断发布满足市场需求的器件。而目前主流的硅基LDMOS功放管在频率和效率上的性能缺陷,导致其很难满足5G系统高频和高效的需求,逐渐丧失了在基站功放市场的主导地位。而氮化镓以其固有的高功率密度有效的降低了结电容,从而提高了带宽,满足了多载波系统对功率半导体器件的视频带宽要求。

华为率先大批量使用GaN 射频功率管,不仅优化了系统射频性能,而且简化了热设计,缩小了体积和重量,便于工程建设和网络优化,有效的推动了行业发展,开启了以氮化镓材料为主的第三代射频功放管商用的新时代。

在这样良好的市场环境下,能讯半导体应运而生,致力于GaN射频功率器件的开发和生产,是国内除科研院所外唯一一家拥有独立氮化镓FAB 工厂和生产能力的IDM公司,可以给客户提供从外延材料,管芯设计到器件生产的多样化合作模式。产品不断推出,逐渐得到市场及客户的认可。

对于3.4 GHz-3.8 GHz 宽带多载波RRU 项目,能讯开发了多款GaN功放管,结合Doherty , DPD 等高效线性化技术,给客户提供了整机20 W 或以上的功放解决方案。

首先,功率放大器作为通信发射系统中极为重要的部分,其输出功率的能力,漏级效率大小都会对整个通信系统有着重要的影响,从综合性能来说,氮化镓射频功放管成为了高频大功率以及宽带高效功放模块的最合适选择。GaN既弥补了LDMOS的高频带宽和效率的性能缺失,又改善了GaAs在高频功率容量的不足,加上氮化镓在可靠性方面的优势,使其成为5 G通信的首选功放管技术。

再者,近年来欧美半导体公司对国内功放管市场的封锁趋紧,国内氮化镓企业受到了市场的大力追捧,加速发展。

能讯高能半导体有限公司作为国家首家商用氮化镓电子器件生产企业,针对市场及基站客户的需要,发布了新型GaN射频功放管DX1H3438140P。该功放管可支持频段为3.4 GHz-3.8 GHz,借助其优异的宽带性能,客户可以在该频段内采用同一个宽带功放管来代替原有的两种甚至是三种功放管。功放管的工作电压为48V,在该频段拥有较好的线性度、功率密度、效率以及宽带特性。在板级使用时,外匹配容易实现,调试简单。

将该功放管设计成Doherty架构,非常适合系统平均功率为20 W的基站使用。采用该功放管设计的Doherty架构功率放大器,可以支持160 MHz的宽带信号,并很好的与宽带DPD系统配合,在常温下经过DPD校正之后,线性度可以达到-50dBc@45.4dbm,表现出了很完美的射频闭环性能。图一为功放管图片:

图1: DX1H3438140P功放管图片

 

下面我们对这款功率管分别作了单管及Doherty性能测试:

 

一、Load Pull性能

表1为功放管DX1H3438140P在3.4 GHz-3.8 GHz的Load Pull测试性能。

Load Pull性能展示( 3.4 GHz-3.8 GHz )

Freq ( GHz )

3.4

3.6

3.8

Pout ( dBm )

51.65

51.61

51.58

Gp ( dB )

19.8

20.1

19.3

DE ( % )

69

71

68

测试条件:Vds=48 V,Ids=400 mA

  Pulse Width = 100 µs, Duty Cycle = 10 %

表1: DX1H3438140P Load Pull测试结果

 

二、3.6 GHz ClassAB调试

该放大器的漏级电压Vds为48 V,静态电流Idq为400 mA。使用的PCB板材为Rogers 4350 B。图2为调试前的Demo图片。

图2:DX1H3438140PDemo图片

2.1、小信号性能

该放大器在3.4 GHz-3.8 GHz内回波损耗S11小于-10 dB,带宽大于400 MHz。在3.6 GHz,小信号增益大于19 dB。图3为小信号调试的结果曲线。

 

图3:DX1H3438140P调试后小信号性能

 

2.2、脉冲饱和功率测试

调试后该放大器的饱和功率为51.7 dBm,饱和效率为67.3%,功率回退7.5 dB时的功率增益为19.3 dB。图4为大信号脉冲测试结果。

图4:DX1H3438140P调试后脉冲测试性能

2.3DPD线性度测试

该放大器经过DPD校正后,其表现出了优异的线性性能,测试信号为WCDMA 3 GPP test model 1, 64 DPCH, 45% clipping, PAR = 7.5 dB @ 0.01% Probability on CCDF。在功率回退8 dB时,其校正后ACLR可以达到-58 dBC。图5为DPD测试结果。

图5:DX1H3438140P调试后DPD性能

 

三、Doherty性能

为了实现功放线性和效率的完美结合,能讯分别开发了3.4 GHz-3.6 GHz和3.4 GHz-3.8 GHz的宽带Doherty功放板。该功放采用1:1对称Doherty架构来表现其最佳的宽带及线性特性。针对目前通信系统中常用的信号PAR 7.5 dB,我们以饱和功率回退8 dB作为其平均输出功率,来展示其回退时的性能。具体可以参照图6和图8中的效率曲线。

 

3.13.4 GHz-3.6 GHz Doherty脉冲功率测试

表2展示了3.4 GHz-3.6 GHz Doherty功放在200 MHz的带宽内的性能参数,其饱和输出功率大于53.9 dBm,在饱和功率回退8 dB,平均输出功率为46 dBm时,其效率在42.5%以上,增益大于15.1 dB。该Doherty功放功率回退时的性能出众,非常适合在20-30W区间的RRU 功放应用。

3.4 GHz-3.6 GHz脉冲特性

主管静态电流400 mA,峰管栅压-4 V

Pulse Width = 100 µs, Duty Cycle = 10 %

频率 ( GHz )

3.4

3.5

3.6

饱和功率 ( dBm )

54.1

53.9

53.9

效率@46dBm ( % )

42.5

44.6

44.0

Gain@46dBm ( dB )

15.7

15.5

15.1

表2:  3.4 GHz-3.6 GHz Doherty功放测试数据

 

图6:3.4 GHz-3.6 GHz Doherty功放脉冲测试性能

 

3.23.4 GHz-3.8 GHz Doherty脉冲功率测试

表3展示了3.4 GHz-3.6 GHz Doherty功放在400 MHz的带宽内的性能参数,其饱和输出功率大于53.9 dBm,在饱和功率回退8 dB,平均输出功率为46 dBm时,其效率在38.5 %以上,增益大于14.7 dB。

 

3.4 GHz-3.8 GHz脉冲特性

主管静态电流400 mA,峰管栅压-4 V

Pulse Width = 100 µs, Duty Cycle = 10 %

频率 ( GHz )

3.4

3.6

3.8

饱和功率 ( dBm )

53.9

53.98

54.2

效率@46dBm ( % )

41

43

38.5

Gain@46dBm ( dB )

15.8

15.5

14.7

表3:3.4 GHz-3.8 GHz Doherty功放测试数据

 

图7:3.4 GHz-3.8 GHz Doherty功放脉冲测试性能

 

图8:3.4 GHz-3.8 GHz DohertyDemo图片

 

3.3、宽带DPD线性度测试

图9是能讯为客户设计的3.4 GHz-3.6 GHz Doherty功放宽带信号线性结果,测试信号为LTE 160 MHz信号,峰均比为7.5 dB。在功放口输出功率大于45 dBm时,其校正后的线性依然可以低于-50 dBc。图10为160 MHz信号(11000011模式)矫正后右边两个载波的的频谱图。

图9:宽带LTE信号DPD校正结果

 

图10:160 MHz 宽带信号频谱图

 

四、总结

从Class AB 或者Doherty的测试性能来看,DX1H3438140P这款产品无论在带宽、功率、效率特性,还是线性度方面均有杰出的表现。这充分验证了能讯半导体公司先进的材料生长和管芯设计能力,精细的工艺控制,稳定可靠的生产能力。

关于能讯半导体(Dynax Semiconductor, Inc.

成立于2007年的能讯半导体是由获得中国第一批“千人计划”支持的海外归国团队创办的高新技术企业。

公司总部位于江苏省苏州市昆山国家高新区晨丰路18号,并在西安、南京设立了研发中心。能讯半导体致力于高能效的氮化镓( GaN )功率半导体材料和器件的产业化,率先在苏州市昆山高新区建设了中国第一家商用氮化镓电子材料与器件工厂。

能讯半导体自主开发了氮化镓材料生长、器件设计、制造工艺、封装与可靠性技术,目前已拥有150多项中国及国际发明专利,其技术水平和产品指标达到国际先进水平。能讯的核心团队有着丰富的海外从业经验,目前还保持着众多氮化镓技术的世界纪录。

能讯紧跟客户需求,发布了6 GHz 以下,5 W至300 W 的系列化氮化镓射频功放管,同时满足客户 TDD 及 FDD 制式的多模多频段需求,为客户带来了卓越的宽带线性及效率特性。

能讯以成为领先的高能半导体供应商为使命。在保持技术领先的同时,能讯半导体还将利用本土优势,建立及时响应、深度协助、提升竞争力的服务标准,竭诚服务客户。

 

市场联系人:

苏州能讯高能半导体有限公司

高先生

电话:+86 (512) 3688 6888

Email:sales@dynax-semi.com


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