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氮化镓技术助力点到点微波性能的提高
录入时间:2017/6/12 11:01:17

氮化镓技术助力点到点微波性能的提高

GaN Powers Microwave Point-to-Point Radios

Kristoffer AnderssonDavid GustafssonJonas Hansryd爱立信,瑞典哥德堡

砷化镓 (GaAs)一直是微波高性能功率放大器和低噪声接收机放大器的关键技术,然而近期氮化镓(GaN)技术的成熟为大幅改进系统性能提供了可能。GaN的高介电击穿特性可以支持更高的漏极电压,以提供更高的功率密度。借助GaN可显著提高微波设备的射频转化效率和最大输出功率,以降低网络的总拥有成本。如今,基于GaN的单片微波集成电路(MMIC)正在被逐步引入到商用微波射频单元中。

目前,移动电话的用户数已经与全球人口数相当,而其总数量(包括物联网设备)的增速还在继续加快。高性能微波设备是成功大规模快速部署移动网络的关键推动力之一。预计到2020年,65%的无线基站(不包括中国、日本、中国台湾和韩国)将通过微波设备连接。1

微波设备的主要优势是部署快和总拥有成本(TCO)低。影响TCO的两个重要参数是功耗和系统增益。增加系统增益的好处可以在保持容量和链路可用性不变的情况下使用更小的天线。TCO通常取决于站点租金,其占总TCO的30%至50%2。小天线尺寸可减少电信塔的风荷,从而降低租金成本,并为其它无线设备留出空间。

微波系统中的许多器件都能够改进系统性能,例如高增益/高效率功率放大器(PA)、低噪声接收机放大器(LNA),同时纠错码能够再生输入信号并减少干扰因素,如干扰、噪声和杂散。

微波设备的可用频段范围为6至70/80 GHz,总可用带宽为40GHz。对于传统微波频段(6至42 GHz),可用信道带宽最少为几MHz,而最高可高达112MHz。在70/80GHz,信道带宽大于1GHz。为了高效地利用可用频谱,新式的微波系统通常支持高达4096-QAM的调制格式。1展示了全球各地微波应用所使用的不同频段。最常用的频段为15至23 GHz。

1:微波无线市场份额 vs 频段 vs 地区3

GaN MMIC技术

GaN的突出优势包括高输出功率密度和支持高电压。从功率放大器的角度而言,GaN是一项革命性的技术。与GaAs相比,相同尺寸的晶体管可提高输出功率至少四倍。功率密度越高意味着电路的复杂性越低,从而可实现更高的效率和更高的带宽。多家半导体公司现已采用GaN MMIC技术提供高性能的工艺,支持制程小于150nm,从而使得高于40GHz的高性能MMIC成为可能。

2展示了GaN功率放大器相对于其它半导体技术的巨大潜力。该图显示了采用3种不同半导体技术(GaN、GaAs和 silicon CMOS/SiGe)的已发布的功率放大器的最大输出功率与频率的关系。虚线表示各种技术的输出功率相对于工作频率的关系。

2:分别采用硅、GaAsGaN技术的已发布功率放大器的输出功率

在微波点到点设备中大规模采用GaN技术的主要障碍是晶片价格、封装和陷印(trapping)带来的记忆效应。当前一代GaN MMIC依托半绝缘碳化硅(SiC)衬底制造。该技术能够提供最高性能,但价格较高。如今,该行业正在向6英寸SiC衬底迁移,使其成本降低到与GaAs类似的水平。为了进一步降低成本,多家公司正致力于硅基氮化镓(GaN-on-Si)技术。GaN-on-Si不如GaN-on-SiC成熟,而且性能也不如后者高。一个原因是与SiC相比,Si的导热率较低。

对于电信设备而言,有机包覆成型(overmold)封装是主流技术,原因是这种技术成本低、可靠性高。然而,目前只有极少数供应商提供的GaN MMIC经过必要的表面钝化以支持有机包覆成型封装。

GaN晶体管中的陷印可能导致毫秒到秒级的记忆效应19 该效应可表现为在高输出功率事件后出现小信号增益的突然变化。相对于输出功率变化不太快的微波链路而言,具有脉冲流量模式的无线基站更容易出现上述问题。

微波功率放大器

功率放大器的最高效率出现在以峰值功率输出的时候,而降低输出功率会显著降低效率。从功率放大器的线性特性角度考虑,则正好相反,在低输出功率时可表现出最佳的线性。为了提高功率放大器的效率,数字预失真(DPD)技术被广泛用来补偿功率放大器非线性特性。

无线基站的功率放大器通常把效率作为最重要的指标;高达50%至70%的功率附加效率并不罕见。DPD技术被用来补偿线性特性。

对效率的关注源于这些基站系统的高输出功率需求(平均为100W)。即使小幅提高功率附加效率也可以大大减少功耗和冷却需求。

用于点到点通信的微波无线设备的功率放大器需要支持高阶调制方案(高达4096-QAM)。DPD系统通常被用于实现高阶调制而非提升效率。GaAs MMIC放大器的最大饱和输出功率在10GHz时为40dBm,在86GHz (E-Band)时降至26dBm。相关的最高效率在10GHz时为35%,在86GHz时为约15%。对于线性区(即比饱和值低10dB),这些效率迅速下降到不到10%(3%至10%,具体取决于工作频率)。这些功率水平体现出商用设置下可实现的水平。寻求更高的输出功率会增加成本和功耗。

对于大多数点到点频段而言,有许多种有机封装GaAs MMIC功率放大器。对于较低的频率,饱和输出功率通常在2至4W的范围内,线性操作的功率附加效率略小于5%。1显示了商用封装GaAs功率放大器的典型性能。该表取自供应商的数据表,展示了点到点放大器的当前状态:以牺牲效率为代价的线性。

 

高效的点到点通信功率放大器

无线基站配备Doherty功率放大器已有一段时间,此类放大器在饱和与回退时都可提供高效率7,8。在最基本的形式中,Doherty放大器使用两个并联的放大器分支(即载波放大器和峰值放大器)来提高回退效率。 载波放大器通过阻抗逆变器连接到峰值放大器,后者再连接到负载。这种在低功率下的布置对于载波放大器而言意味着高阻抗,阻抗会随着功率的增加而减小。这种负载调制可确保载波放大器在较宽的输出功率范围(通常为6dB或以上)内以近饱和输出(效率同时最高)。

虽然理论上Doherty放大器是线性放大器,但实际实现时不可避免地会出现非线性问题。因此,无线基站还配备了提供线性补偿的DPD。

基于Doherty放大器在无线基站市场取得的成功,某些公司已尝试将Doherty技术引入点到点细分市场。主要的电路挑战是点到点通信频带的波长较短以及GaAs的功率密度较低。比工作在6GHz以下的Doherty放大器的波长短意味着需要集成解决方案,即在放大器印刷电路板上部署合路器和分路网络。GaAs的低功率密度会限制可实现的最大输出功率。高制程的GaN MMIC技术的成熟,终于可以实现超过6GHz的Doherty功率放大器,同时提供超过10W的饱和输出功率。

对于工作在7GHz频段9-15和23GHz16的GaN Doherty功率放大器进行的最新研究表明,最先进的GaN技术能够实现30%的功率附加效率(带8至9 dB的回退)和超过20W的饱和输出功率(表2)。2012年,Gustafsson 11等演示了工作在微波无线频段的GaN MMIC Doherty功率放大器的性能(图3)。图4显示了此类放大器的效率。该放大器使用DPD系统,实现了大于35%的平均效率,同时为10MHz 256-QAM保持低于-48dB的临道泄露功率比。

37GHz GaN MMIC Doherty放大器11

47GHz GaN MMIC Doherty 放大器的功率附加效率11

最近,Gustafsson等17演示了GaN 混合Doherty放大器的性能。采用无源GaAs的匹配电路,可降低GaN的用量,从而能够降低Doherty放大器的成本。两级混合放大器包含基于无源GaAs的输入、级间和输出匹配电路,以及基于GaN的放大级。

图5和图6分别显示了封装的内部和封装好的功率放大器。该放大器采用DPD系统,在20%平均功率附加效率下使用50MHz 4096-QAM信号提供34dBm的平均输出功率,同时满足Class 8B ETSI频谱要求18(图7)。使用直接学习表DPD(24个表,16个bins)采用表系数的最小平方估计执行线性化。

5:包覆成型应用前的GaN混合功率放大器17。功率晶体管为GaN HEMT,无源输入、级间和输出网络采用GaAs工艺制造。

 

6:安装在评估板上的封装好的GaN混合功率放大器17

 

7 GaN混合功率放大器测量出的输出频谱(比较具有/不具有DPD的情况,基于在6.65GHz上的50MHz,带宽4096-QAM的输入)17

该演示表明, GaN和Doherty可大幅提高GaAs可实现的效率。如前所述,Doherty放大器必须配合DPD一起工作。点到点信道的带宽较宽(对于传统微波频段可高达112MHz),这对DPD提出了严格的要求。

为了补偿七阶非线性,数模转换器应以至少7倍的过采样运行(即>784MHz)。对于本地观测接收机中的模数转换器也是如此(>784MSPS)。除了高的数据量外,垂直分辨率应足够高,以支持非常高阶的调制方式(即4096-QAM)。这些数据转换器过去一直非常耗电,因此影响了整个射频系统的效率。然而,现在如果使用最先进的数据转换器,则可以设计出功耗足够低的DPD。

GaN PA在微波点到点射频领域的光明前景

GaN在商用微波无线系统中主要有两个用途。第一个是利用高功率密度提高输出功率,从而增加系统增益。采用更高制程的GaN MMIC工艺,与GaAs相比,可在23GHz以下大大增加输出功率。但代价是会增加功耗,因为放大器的效率提高并不显著。另一个是通过引入高效率功率放大器架构(例如Doherty)来提高效率。使用高效率放大器可增加输出功率,同时还能降低功耗。此外,放大器的散热量将减少,实现更简单的冷却解决方案。

8显示了系统功耗相对于3种不同平均功率水平(30、33和36 dBm)的功率放大器的变化。圆圈区域表示GaAs、GaN和GaN Doherty功率放大器的典型性能区域。用GaN代替GaAs,可小幅提高效率。在相对较低的效率的情况下,即使小幅提高也可大大节省电力。功率附加效率从5%增加到10%可使功耗降低10W,从而降低TCO。使用GaN Doherty功率放大器可使功率附加效率保持在25%的范围内。这不仅能降低功耗,还能增加系统增益和输出功率。

8DC功耗与放大器效率和平均输出功率对比。圆圈区域表示GaAsGaNGaN Doherty功率放大器的典型性能

从工作频率看,GaN的应用前景截然不同(图9)。在较低的频率上(低于13GHz),已经可以实现高效的Doherty功率放大器。用户既可受益于高效率和低能耗,又可在不增加功耗或增大热排放的情况下增加输出功率。该领域充分利用了GaN技术的巨大潜力。灰色区域表示Doherty和功率放大器之间的过渡区域。应使用哪种技术取决于Doherty放大器在高于15GHz的工作频率上能够实现的效率。对于较高的工作频段(18GHz及以上),现在已经可以用高功率GaN放大器取代现有的GaAs功率放大器,以增加输出功率。

 

9DohertyGaN功率放大器的工作区域

结束语

GaN技术目前已被逐步引入到商用微波领域。尽管第一波产品只能小幅降低功耗,但微波频率上基于GaN技术的Doherty放大器和高性能数据转换技术在未来几年内将大幅改进功率和效率,如同它们在基站市场上已经实现了的一样。

参考文献

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11.   D. Gustafsson, J. C. Cahuana, D. Kuylenstierna, I. Angelov, N. Rorsman and C. Fager, “A Wideband and Compact GaN MMIC Doherty Amplifier for Microwave Link Applications,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 61, No. 2, February 2013, pp. 922–930.

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