Qorvo深度丨GaN瞄准3.5GHz，走向5G

5G是第五代移动基础设施网络，融合了多项网络技术进步，也承载了人们的诸多期望。就如前几代网络一样，5G预计将进一步提高频谱效率，支持更多用户，提供更高的数据速率，并改善用户体验。网络运营商到底以什么方式打造5G体验，尚不得而知；但很清楚的是，所有网络运营商都有着一个共同的需求，那就是以更多的带宽满足不断增长的网络需求。利用额外的频谱是下一代网络系统的一大要求，也是其重点之一。众多研发项目涵盖了全部频段：低频空白电视信号频段；2.4和5GHz未许可频段；15、28-30、50、60和71-86GHz的现有点对点和点对多点频段（E频段）；以及3.5GHz。每个频段各有利弊，并且随着异构网络的不断延伸，下一代网络解决方案很可能将涵盖所有这些频段。

这些新动向将带着一个共同的主题继续下去，即网络密度将不断增大。不断增大的网络密度采用的是一种分层模式，即通过安装多个接入层的方式来提高高流量区域的容量。根据覆盖区域的室内或室外性质，现有基站可提供各种功率水平，具体情况往往因制造商而异：

• 毫微微蜂窝，不到0.25 W；

• 微微蜂窝，0.25-0.5 W；

• 微蜂窝，1-5 W；

• 城域蜂窝，5-10 W；以及

• 传统宏蜂窝，10 W以上。

借助多种多样的功率水平，运营商可以获得极大的灵活性，能够在网络中搭建体积更小、密度更大、容量更高的覆盖区域。起初，3.5 GHz被认为是仅适用于小型蜂窝基站的理想方案，但目前来看，它有望在各个功率水平实现部署，为网络运营商带来一种全层次的解决方案。

为了展示GaN的性能，我们开发了一种面向频段42（3.4 - 3.6 GHz）的对称Doherty功率放大器参考设计。其天线端输出功率为2W，Carrier和Peaking放大器均采用TQP0103 GaN晶体管（见图1）。在8 dB回退条件下，功率放大器可提供超过20W的峰值功率，效率超过44%。增益和效率为为输出功率的函数，如图2所示。

图2 对称型Doherty功率放大器的增益和效率（为输出功率的函数），采用单载波、64 DPCH、10 dB PAR WCDMA测试信号，频率为3.5 GHz。

针对天线端1 W平均输出功率的方案采用非对称型Doherty功率放大器，其carier放大器采用的是TQP0102 GaN晶体管，peaking放大器则采用TQP0103。peaking放大器与载波放大器的功率比为2:1。在8 dB回退条件下，非对称型Doherty功率放大器的效率高于对称型Doherty功率放大器。在放大器参考平面，这种参考放大器设计将实现50%以上的效率。在相同的回退功率下，这会使效率比对称型Doherty功率放大器提升6个点以上。

恒值线在20W平均功率（天线端）参考设计中同样采用了非对称型Doherty架构。该放大器采用QDP3600作为载波放大器，T1G4012036- FS作为峰值放大器，二者的工作电压均为48V。负载旨在以实现70W和140W的载波和峰值放大器功率，减去Doherty功率放大器输出功率下200W的合并P3dB值。设计基于晶体管的负载牵引测量值。载波放大器在3.5GHz条件下的负载牵引恒值线如图4所示。红色恒值线展示了器件的峰值功率(P3dB)能力。黑色圆是3:1 VSWR条件下的最大功率恒值线，展示了器件在Doherty配置中可以实现的载波放大器效率匹配条件。绿色恒值线和蓝色恒值线分别表示Doherty放大器在45dBm的目标平均功率下的增益和漏极效率。在3:1 VSWR圆左侧，可以看出，60%的漏极效率和19.6dB的增益，在载波放大器效率相匹配时，是可以实现的。当峰值放大器开启时，它会把载波放大器负载调制到3:1 VSWR圆的中心，其负载条件为48.9dBm P3dB。当峰值放大器匹配至功率比为2:1时，在45dBm平均输出功率条件下，预期设计性能为14dB的增益和55%的效率。

图4 一个非对称型20W Doherty放大器中所用QDP3600载波放大器晶体管的负载牵引输出功率、效率和增益恒值线。

这一效率水平显著高于硅LDMOS，后者是蜂窝基础设施市场的现行功率放大器技术。GaN与LDMOS之间的差异随着频率的增加而增大。根据数据手册中的技术规格，目前LDMOS正在开发的最新3.5 GHz器件采用Doherty功率放大器时的预期效率为37.5%。

对于未来的5G网络，坊间谈论颇多并为之振奋。虽然3.5GHz频段尚未完全发挥出作为全球协调频段的潜力，但3.5GHz仍有许多机会，能够在5G部署尚需时日之际，满足对移动基础设施带宽的近期需求。无论是小型蜂窝还是宏蜂窝部署项目，新频谱开发计划均呈快速增长之势，其中，GaN完全可以满足对高功率、高效率和宽视频带宽的需求。