论文标题：A Hybrid Integrated and Low-Cost Multi-Chip Broadband Doherty Power Amplifier Module for 5G Massive MIMO Application

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.01.017

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清华大学电子工程系陈文华教授课题组在《Engineering》发表了题为“A Hybrid Integrated and Low-Cost Multi-Chip Broadband Doherty Power Amplifier Module for 5G Massive MIMO Application”的研究成果，展示了一款面向5G大规模多进多出（MIMO）系统的低成本混合集成宽带Doherty功率放大器模块。清华大学电子工程系黄飞博士为第一作者，陈文华教授为通讯作者。该模块采用多芯片模块（MCM）结构，有源器件用0.25 μm 氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管工艺制造，无源匹配网络全部使用砷化镓集成无源器件（GaAs IPD）工艺在同一封装内实现，整体尺寸仅为10 mm × 6 mm。实测结果显示，模块在4.4~5.0 GHz频段内饱和输出功率超过45 dBm，平均功率附加效率（PAE）达到36.3%，峰均功率比（PAPR）为8.5 dB；数字预失真（DPD）校准后，邻道功率比（ACPR）优于−50 dBc，满足5G信号线性需求。

研究团队指出，随着5G基站天线通道数增加到64路甚至128路，射频功率放大器数量同步激增，传统印刷电路板方案在尺寸和成本上已难以支撑商用部署。单片微波集成电路（MMIC）虽可缩小体积，但全集成方案需要消耗大量昂贵GaN晶圆。论文提出的MCM混合集成思路仅将晶体管部分用GaN工艺实现，其余匹配、偏置、功分等无源网络转移到成本更低的GaAs IPD工艺，GaN芯片面积缩减至传统MMIC的20%以下，显著降低了物料成本。

为实现500 MHz以上工作带宽，课题组在Doherty架构上进行两项改进。首先，采用“反向Doherty”结构：在辅放大器后额外引入两段λ/4传输线，形成低Q输出网络，使回退区阻抗转换率保持为2，从而扩展带宽；其次，驱动级选用单驱动拓扑而非Doherty驱动或双驱动，既减少了输入功分器带来的3 dB增益损耗，又避免了C类辅放大器导致的线性度劣化。两级级联方案由驱动级和Doherty级组成，驱动级晶体管栅极宽度8 × 200 µm，Doherty级主、辅晶体管栅极宽度分别为2 × 10 × 200 µm和2 × 10 × 250 µm，对应最佳负载阻抗66 Ω、20 Ω、14 Ω，可在合路点后直接连接50 Ω负载，无需额外后匹配。

图1 所提多芯片模块的架构。

匹配网络全部用传输线实现以降低损耗，主、辅放大器输出端各采用三条λ/4传输线，其低通集总等效电路通过T型电感网络吸收晶体管寄生电容，仿真表明4.3~5.5 GHz内输入回波损耗S₁₁优于−10 dB，插入损耗小于0.9 dB。输入网络则把Wilkinson功分器与两级LC匹配融合，采用LC梯形结构展宽带宽。驱动级输出匹配与Doherty输入网络合并为级间匹配，进一步压缩芯片面积。

封装环节，六颗芯片（驱动输入匹配、驱动晶体管、驱动输出匹配、Doherty输入网络、主放大器、辅放大器）被贴装在四层高散热基板上，GaN芯片下方嵌铜散热。键合线等效电感与晶体管输出电容形成LC中和网络，射频输入和射频输出端口均采用三根接合线，其等效特性阻抗接近50 Ω，对阻抗匹配的影响很小。电磁仿真显示4.4~5.0 GHz频段内输入回波损耗优于−24 dB。

图2 所提出的混合集成DPA的布局。

测试在漏极电压28 V、主放大器静态电流72 mA、驱动级静态电流30 mA、辅放大器栅压3.4 V条件下完成。小信号增益高于30 dB，饱和功率45.7~46.3 dBm，从37 dBm到饱和功率的增益压缩小于4 dB。调制测试使用100 MHz LTE信号，PAPR 8.5 dB，平均PAE 36.3%，DPD校正后ACPR在4.5~5.0 GHz全频段优于−50 dBc。与近年同类GaN DPA对比，该模块在饱和功率、增益和PBO效率方面处于较高水平，而GaN芯片总面积仅3.8 mm × 0.7 mm，显著降低系统成本。

图3 混合集成DPA的实物照片。

论文信息：

Fei Huang, Guansheng Lv, Huibo Wu, Wenhua Chen, Zhenghe Feng. A Hybrid Integrated and Low-Cost Multi-Chip Broadband Doherty Power Amplifier Module for 5G Massive MIMO Application. Engineering, 2024, 38(7): 223–232

开放获取：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.01.017

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