针对无线基础设施设计的新型放大器

基站在十年前也许会被认为是种虚假技术。但随着“绿化”工程的深入人心以及降低能耗以节约成本这一愿望的推动，基站设计人员正在寻求集成度更高、更省电以及更小巧的元件。同时，在未来数年内，预计移动通信数据流量每年都将成倍增长。因此，必须在降低功耗同时增大容量。放大器是一种可降低功耗但又不会对网络容量造成影响的关键器件。无论是低噪放大器(LNA)、功率放大器(PA)或驱动放大器，它们的设计都以缩小体积、降低功耗且同时实现更高可靠性和效率以及更大容量为目标。

　　对更大网络容量的需求与日俱增。Amplitech公司的总裁Fawad Maqbool表示，“无线应用和需求不断增长。为满足下一代(4G、5G)无线产品如手持PDA和地面通信链路的要求，需要越来越大的带宽。这种需求也在稳步提高工作频率和数据速率，这就要求接收系统能提供更低噪声、更低失真、更高的动态范围和更广阔的覆盖范围。”

　　有许多放大器正在不断满足这些需求。例如，RFMD公司刚刚推出了高线性度、数字控制(6b)的可变增益放大器(DVGA)。RFDA DVGA系列在整个增益范围提供低于5dB的噪声指标。每个VGA在 0.5dB步进分辨率下具有31.5dB的增益范围。该系列提供多款型号，可支持如下最高指标：增益38dB、输出三阶截取点(IP3)43dBm、工作频率4GHz。例如，RDA1005L覆盖10～4000MHz频段，0.5dB步进时提供18.5dB的增益。它的1dB压缩点(P1dB)输出功率为21.0dBm，输出IP3为35.0dBm。同系列产品RFDA2026覆盖1800～2400MHz频段，0.5dB步进时增益为32.0dB。它的1dB压缩点输出功率为24.0dBm，输出IP3为43.0dBm。这些器件适用于接收器和发射器设计，同时提供并行和串行接口版本。

　　无线基础设施也是RFMD RF5633(2.2-3.8GHz)WiMAX功率放大器IC的目标应用。这款IC采用铟镓磷化物(InGaP)异质结双极晶体管(HBT)技术，集成了一个三 级PA和功率检测器。它提供2.5%的误差向量幅度(EVM)，在3.4～3.6GHz和3.6～3.8GHz频段的输出功率分别为+28dBm和+27dBm。可对PA的偏置进行控制以适应22dB的增益步进，从而提高系统动态范围。RF5633提供34dB增益。

　　M/A-COM Technology Solutions公司新推出的一款0.5W HBT放大器主要针对蜂窝和WiMAX基站应用。MAAM-009286覆盖250～4000MHz频段，在5V/155mA偏置下，其输出IP3为42dBm。在2140MHz下提供15.5dB的中频增益。此外，该公司70-3000MHz系列微型增益级放大器适合用于蜂窝基站。

　　这些砷化镓(GaAs)单片微波集成电路(MMIC)放大器采用单级、自偏置设计(图1)。它们具有50Ω的输入/输出阻抗以尽量减少所需外部元件数。M/A-COM公司的MAAL-009120具有1.4dB@900MHz的典型噪声，在500～3000MHz频段，IP3为35dBm。同系列产品MAAL-010200具有1.3dB@900MHz的典型噪声，在500～3000MHz频段，IP3为36dBm。这两款产品在900MHz下的典型增益都是14dB。M/A–COM公司的产品经理Jack Redus表示，“更快的数据速率和更复杂的调制方案促使无线基础设施要求驱动放大器具有更高线性度。这些趋势又伴随着对降低整体功耗和制造复杂性的不变追求。虽然在单个芯片上集成放大器、开关、衰减器和其它功能可以简化制造流程，但它往往以牺牲各个功能块的性能为代价。在单一封装内将不同技术进行多功能集成可以优化性能和制造，从而最终取代单一功能器件。我们目前提供的某些单一功能放大器未来将被整合进采用表面贴装的多功能、多芯片方案。”

　　图1：为尽可能减少外部元件数量，这些GaAs MMIC放大器采用单级、自偏置设计。

　　WiMax和4G LTE应用(2.3-2.8GHz)也属于Hittite Microwave公司推出的GaAs InGaP HBT MMIC功率放大器的目标应用。这款型号为HMC755LP4E的PA在输出IP3为43dBm时具有31dB的增益。在33dBm饱和输出功率下可实现28%的功率附加效率(PAE)。三个电源控制引脚可用于降低RF输出功率或关断PA以节省直流功耗。采用正交频分复用(OFDM)信号，HMC755LP4E可达到25dBm的输出功率(64QAM、54Mb/s)，同时EVM为2.5%。

　　虽然飞思卡尔半导体(Freescale)以其LDMOS技术著称，但该公司最近推出了针对基站、家庭基站和蜂窝中继器中发射器和接收器的功能要求而优化的MMIC产品。这组器件同时满足低噪放大器和发射功率放大器的要求。例如，MML09211H是一款增强型的pHEMT MMIC低噪声放大器，非常适合865～960MHz频段的WCDMA基站以及目前正在实施的728～768MHz频段高数据速率网络等各种应用。在400～1400MHz频段，该器件具有0.6dB的低噪声指标。在900MHz时小信号增益为20dB，P1dB输出功率为21dBm。这款放大器具有35dBm的隔离性能和32dBm的输出IP3。其同系列产品MMA20312B是一款两级InGaP HBT功率放大器，针对无线基站以及中继器和家庭基站而设计。该放大器覆盖1800～2200MHz频段。2140MHz下的小信号增益是26dB，P1dB输出功率为31dBm，。

　　另外两款最新宽带MMIC放大器既适用于传输链的驱动放大器又可作为接收链的二级低噪声放大器。MMG15241H pHEMT器件覆盖500～2800MHz频段，在2140MHz下的噪声系数为1.6dB。P1dB输出功率为+24dBm，IP3为39dBm，小信号增益为15dB。此外，MMG20271H低噪声放大器覆盖1500～2400MHz频段。在2140MHz下具有1.8dB的噪声系数，P1dB输出功率+27dBm，42dBm的IP3以及15dB的小信号增益。

　　Skyworks Solutions新推出的两款GaAs MMIC低噪声放大器号称能满足多种蜂窝基础设施接收器应用(包括GSM、CDMA、WCDMA和LTE基站及中继器)苛刻的噪声和线性要求(图2)。SKY67100-396LF覆盖1.7～2.0GHz频段，SKY67101-396LF覆盖0.7～1.0GHz频段。这些增强型赝晶高电子迁移率晶体管(pHEMT)低噪放大器具有0.49dB的低噪声系数和34dBm的输出三阶截取点。其内部有源偏置电路确保不同温度下具有稳定的性能。

　　图2：这两款GaAs增强型pHEMT低噪放大器主要针对多种蜂窝基础设施接收器应用(包括GSM、CDMA、WCDMA和LTE基站及中继器)。

　　在1.95GHz下，SKY67100-396LF 的噪声系数为0.61dB。它具有优于20dB的输入回波损耗和34dBm的高输出三阶截取点。在0.9GHz下，SKY67101-396LF的噪声系数是0.49dB。其在0.9GHz的输入和输出回波损耗都在20dB以上。在0.9GHz，这款LNA具有34.1dBm的高三阶截取点。

　　Avago Technologies分别覆盖1500～2300MHz以及2300～4000MHz频段的两款器件完善了该公司下一代低噪声放大器系列，该系列产品覆盖用于GSM、CDMA、UMTS、WiMAX和LTE的所有蜂窝频段。这些LNA针对基站RF前端设计而开发。在1900MHz及5V/51mA典型工作条件下，该公司的专利GaAs增强型pHEMT工艺技术提供了0.48dB的噪声系数以及35dBm的OIP3。它具有17.8dB 的增益，P1dB输出功率为21dBm，。在2500MHz及5V/56mA典型工作条件下，该技术提供0.59dB的噪声系数和35dBm的OIP3。它具有17.5dB的增益、P1dB压缩点输出功率为+22dBm。得益于内置有源偏置电路，Avago低噪声放大器的工作电流是可调的。因此，设计人员可在工作电流和输出线性度(采用OIP3测量)之间进行权衡同时保持最佳的噪声系数。

　　Aeroflex/Metelics的HBT放大器产品线非常适合蜂窝、PCS、2.5/3G、MMDS、WLL及其它无线基础设施应用。该公司同时提供中/小功率放大器以及Darlington增益模块。HBT中/小功放专为高频、A类驱动器件设计，其输出功率为0.25至4W，增益范围为100MHz至2650MHz。例如，MMA717-3030就是针对100MHz至2.5GHz的中等功率水平而设计。通常情况下，它具有31dBm的输出功率，50dBm的高输出IP3，其典型动态范围是97dB。

　　对Aeroflex/Metelics而言，InGaP HBT MMIC放大器被专门设计成宽带Darlington增益模块，它结合了不同水平的小信号增益、噪声和带宽。它们能在100MHz～12GHz范围提供平坦的增益响应。例如在2GHz下，MMA708覆盖DC～4000MHz，同时提供13dB的增益。它在-1dB时的输出功率为20dBm，典型IP3为38dBm。该放大器提供6dB的噪声系数，其输入和输出VSWR(电压驻波比)分别为1.40:1和2.00:1。

　　在之前召开的IEEE国际微波研讨会(IMS)上，恩智浦半导体(NXP)展示了一系列基于硅锗碳(SiGe:C)技术的射频和中频放大器，包括从低噪声放大器到固定和可变增益放大器等一系列产品，这些器件据称可在无线基础设施的收/发器射频设计中实现更高集成度。该公司提供了一系列覆盖400～3500MHz的Doherty功放，包括一款三路Doherty放大器和一款基于该公司50V LDMOS工艺的单封装600W Doherty功放，它们均工作在900MHz。这款三路Doherty功放可实现52.7dBm的峰值功率(44.1dBm的平均功率)，效率高达49.2%。600W(57.8dBm)的单封装电路可实现43%以上的效率，在整个工作频段具有49.2dBm的输出功率。

　　RFHIC公司表示，对LDMOS来说，在整个30MHz带宽及六条信道上取得更高效率是一个挑战。此外，LDMOS晶体管封装和输入/输出匹配模图都会更大。因此，该公司选择了氮化镓(GaN)方法。用于LTE和WCDMA应用的80W功放覆盖2110～2140MHz、带宽是30MHz(图3)。借助Doherty设计和DPD技术，它能够提供35%或更高的效率。该功放在48V具有50dB增益。通过与韩国移动服务提供商SK电信的合作，这款氮化镓(GaN)放大器已经被部署在选定地点。RFHIC下一代产品的目标是达到40%的效率。

　　图3：该放大器的关键构建模块是一个内部匹配的GaN-on-SiC晶体管。

　　除了放大器之外，像Nujira这样的公司还提供配套产品和服务以支持基站和远程无线电头端(radiohead)功放的评估和开发。例如，NCT-E9001评估与开发平台包就包括波形传输和分析、多模式数字预失真(DPD)以及一个完整的射频发射链路。EvalSys工具包提供控制和分析工具。为进行参数比较和开发，用户可以整合进自己的PA设计、DPD算法和DPD硬件。到目前为止，参考PA输出级可提供基于LDMOS和GaN的28V和48V射频功率晶体管。当然，其它规格的产品也在开发中。该公司还提供Coolteq-h大功率调制器，该产品可将功放效率提高到60%。

　　AmpliTech采取了另一种有趣的方法，该公司提供一系列低温放大器和系统，这些产品承诺将极大改善无线系统的所有参数和覆盖范围，同时满足未来无线技术对基站和多点链路的苛刻需求。例如，该公司的80°K低温冷却LNA组件在GPS和GSM频段提供低至0.05dB的噪声系数，在Ka频段，噪声系数是 0.6dB。这种冷却低噪声放大器/组件通过一个3m的脐带式软线直接放置于天线馈源。由于没有噪声边带，它简化了数字信号处理(DSP)的后处理。

　　晶体管开发技术有助于提高基站放大器的效率。例如，TriQuint的TriPower GaAs HV-HBT射频IC就承诺，在支持运营商更方便地提高网络容量和速度的同时，还能降低网络基站放大器所需的电能。目前，为覆盖一个中型城市及周边地区，可能需要一个带有2000个放大器的系统。据TriQuint公司介绍，基于TriPower的网络每年将减少约340吨的二氧化碳排放。

　　当用于对称Doherty放大器应用以获得最高效率时，两款TriQuint的TG2H214120 120W器件可以提供超过60W的WCDMA平均功率，效率达55%。由于TriPower的效率非常高，运营商可以在现有基站塔上安装较大的放大器且无需增加体积和重量，而大功率放大器可为蜂窝内的所有用户提供更高的数据传输率。显然，放大器是实现基站节能的关键。但还有一系列相关技术可帮助放大器满足对更高性能、更低功耗的需求。