如何提高射频功率放大器的效率？

Lumhao

热力学的基本规律揭示出没有电子设备可以实现100%的效率——虽然开关电源比较接近(达到98%)。但不幸的是任何产生RF功率的器件目前都无法 达到或者接近理想的性能，因为将直流功率转换为射频产品功率过程中面临太多的缺陷，包括整个信号路径传输造成的损耗，转到工作频率时的损耗，以及该器件固有特 性损耗等。结果，MIT科技评论的一篇文章曾毫不客气的这样评价RF功率放大器，“它是一个非常低效的硬件。”

毫不奇怪的是，RF功率产品的每一环节厂家，从半导体到放大器再到发射器，以及大学和国防部，每年都花费大量的时间和财力，以提升RF功率器件的效率。这么做有充足的理由：即使是效率的细微提升，也可以延长电池驱动类产品的工作时间，并降低无线基站每年的电力消耗。图1显示了RF部分占基站整体功耗的比例情况。

图1：将基站电力消耗中的各种射频产品相关部分加起来，最终结果值将相当大。

幸运的是，经过连年不断努力提升RF效率，这些情况在逐渐改变。这些工作有一些是在器件级，有些则采用了一些创新技术，比如包络跟综，数字预失真/波峰因子降低方案，以及采用比常见AB类级别更高级的放大器。

放大器设计的一个重大转变是5年内就成为基站放大器标准的Doherty 架构。自从贝尔实验室(随后成为了西屋电气的一部分)的Doherty 博士在1936年发明这种架构后，它大部分时间处于沉寂状态，只在几个应用中使用过。

Doherty 的研究创造了一种新的放大器结构，在输入信号具备很高峰均比(PAR)时，还可以提供极高的功率附加效率。事实上，如果设计得当，相较于标准并行AB类放 大器，Doherty 放大器的效率可提升11%到14%。

当然，在1936年以后的许多年间，只有很少类信号具备这些特性，如通信系统中 使用调制方案的AM和FM便没有。而目前，几乎每一个无线系统都产生高PAR信号，从WCDMA到CDMA2000再到任何采用正交频分复用的系统 (OFDM)，例如WiMAX，LTE和最近的香饽饽Wi-Fi。

图2:一个典型的Doherty放大器

经典Doherty放大器(图2)，可以归类于负载调制架构，实际上由两个放大器组成：一个载波放大器偏置在AB类模式下进行操作，而峰值放大器偏置成C类 模式。一个功分器将输入信号以90°相位差等分给每个放大器。放大后，信号通过功率耦合器被重新合成。两个放大器在输入信号处于峰值时会同时操作，每个都表现为一个负载阻抗，以最大化输出功率。

然而，随着输入信号功率的下降，C类峰值放大器被关闭，只有AB类载波放大器仍然工作。在较低的功率电平时，AB类载波放大器表现为经调制的负载阻抗，以提升效率和增益。随着该架构重新焕发活力，Doherty放大器设计在快速的迭代中取得了重大进展，也获得了巨大成功。

当然，没有任何架构是完美的。Doherty放大器的线性度和输出功率比双AB类放大器都稍差些。这给我们带来了另一个重要的电路，也已成为当今通信环境中必不可少的选择：模拟和数字线性化技术。该技术中使用最广泛的是数字预失真(DPD)，有时与波峰因子降低(CFR)组合使用。DPD和CFR都可以大幅 降低Doherty的失真，精心的器件和放大器设计可以最大限度地降低线性损失。然而，它们没有严格定义在Doherty放大器中使用，在其它放大器结构 中使用效果也相当明显。

1、提升线性度

现代数字调制技术要求放大器的线性度足够高，否则会出现互调失真从而降低信号质量。不幸的是，放大器性能最佳时，它们都已接近饱和电平，随后，它们变得非线性化，RF功率输出随输入功率增加而下降，并且开始出现显著失真。这种失真会导致相邻信道或服务的串扰。结果，设计人员通常将RF输出功率回退到一个“安全区”，以确保线性度。当他们这样做时，多个RF晶 体管是必需的，以达到给定的RF输出功率，这将增加电流消耗，并导致续航时间缩短，或在基站中会造成更高的运营成本。

DPD有效地在放大器 的输入端引入了“反失真”，消除了放大器的非线性。其结果是，放大器不需要回退到最佳工作点，从而不需要更多的射频产品功率器件。由于放大器变得更加高效，带 来的好处是散热成本的降低和所有重要电力消耗的减少。CFR工作时，通过减小输入信号的峰均比来持续检查失真情况，这种作法降低了信号的峰值，以使信号通 过放大器时不致产生削波或失真。当DPD和CFR一起使用时，可以取得更大的增益。
2、异相功率放大器方法

另一个技术，是近80年前由Henri Chireix 发明并持有的专利技术，通常被称为“outphasing”(异相功率放大器，负载调制技术家族的一员)，目前被富士通、恩智浦等用于提升放大器效率。它 结合了两种非线性RF功率放大器，由不同相位的信号驱动两个放大器。因为对相位进行了控制，使得当输出信号耦合时，使用B类RF功率放大器可以实现效率增 益。谨慎的设计技术，特别是选择适当的电抗，可以将系统优化到一个特定的输出幅度，这将带来两倍的效率提升(至少理论上如此)。

富士通去年宣布其已经在某个功率放大器中采用了outphasing方法，集成紧凑、低损耗的功率耦合电路，并带有一个基于DSP的相位误差校正补偿电路，相比现有 放大器普遍的65%传输时间，该放大器传输时间可以超过95%。对该设计进行测试，这种功率放大器的峰值输出可以达到100瓦;平均电效率从50%提高到70%。

输入信号被分成具有恒定幅度和相位变化的两个信号。振幅依RF功率器件设定，功率耦合电路重构源信号波形。先前，当源信号重构时，耦合精度损失需要确定相位差，阻止了该技术的商用。富士通使用的耦合器具有更短的信号路径，降低了损耗并增大了带宽。

3、恩智浦极具前景的开发

Outphasing 机制没有负载调制效果的一个变体被称为非线性概念的线性放大(LINC)，采用一个分离耦合器和放大级驱动到饱和，并能有效地提高线性度和峰值效率。但 LINC放大器效率相对较低，因为每个放大器工作在一个恒定功率上，即使低RF输出电平时也如此。Chireix修正了这一点，通过结合 outphasing和一个非分离耦合器和负载调制，从而提升了平均效率。恩智浦半导体公司做了进一步提升，用outphasing控制两个开关模式的 RF放大器，使它们适应高波峰因子信号。该公司正在将Chireixoutphasing技术与GaN HEMT开关式E类放大器结合起来(图3)。

图3：简化后的Chireix 异相功率放大器结构框图。

恩智浦开发并获得专利的新驱动器技术通过控制相位关系，使放大器在约25％的带宽上达到高效率。这引发了一种新架构，通过结合E类放大器和负载调制以在退出饱和时保持放大器的高效率，这使得它们能够适应各种复杂波形。恩智浦为基于GaN器件的E级RF功率放大器提供了参考设计，并附带了Chireix相关的技术资料。

4、包络跟踪

另一个放大器设计人员关注的重点技术是包络跟踪，这种技术中，施加到功率放大器的电压被连续地调整，以确保它工作在峰值区域，从而使功率最大。相对于典型功率放大器设计中DC-DC转换器提供的固定电压，包络跟踪电源以一个高带宽、低噪声波形调制连接到该放大器的电源，该波形则被同步到瞬时包络信号。

在CMOS RF功率器件中使用包络跟踪技术具备相当大的吸引力。Nujira多年来一直在开发这种技术。他们已经表明，该技术能够克服CMOS RF放大器应用中因非线性导致的缺点。CMOS功率放大器一直被诟病是目前高PAR调制技术的一个糟糕选择，因为它们固有的线性度较差，这就要求它们必须回退以减小失真。当CMOS放大器在较高的RF功率电平工作时，会出现削波和失真。

然而，Nujira在其专有的包络跟踪技术中结合了其专利ISOGAIN线性化技术来消除线性问题，而无需使用DPD。使用这种技术的设备达到了高效率目标，已经在其它方面实现了与GaAs同样的性能。所有研究CMOS放大器的一个巨大好处是，CMOS器件在整个电子行业中普遍存在，有很多代工厂家支撑，因此相对便宜。因为它基于硅，也可以在功率放大器芯片上直接集成控制和偏置电路。

5、其他完全不同的方法

另一个放大器技术由Eta Devices倡导，这是从美国麻省理工学院剥离出来的公司，由两位电气工程教授Joel Dawson 和David Perreault以及爱立信和华为的一位前功放研究员共同创建。其不对称多级Outphasing（AMO）技术由MIT开发，该公司是由ADI公司联合创始人Ray Stata和他的风险投资公司Stata Venture Partners联合投资。

该公司的首要目标是新兴市场，包括燃料方面每年耗资150亿美元的多达64万台的柴油发电机功率基站，其次是智能手机市场。今年二月，Eta Devices在西班牙巴塞罗那举办的移动通信世界大会先进LTE部分上展示了其Eta5设备，该设备的发射信道超过80-MHz。

Eta Devices大胆宣称，它的ETAdvanced（高级包络跟踪）技术，预计可减少50％的基站能源成本。还宣称，它可以将智能手机电池续航时间提升一倍。前提是，所述放大器的RF功率晶体管在待机模式和发射模式时同时消耗功耗，而提升效率的唯一途径是将待机功率降低到最低可能水平。
在低功耗待机模式和高功率输出之间进行转换，会导致失真现象，现有的系统为持续检测这一状况，需要维持高待机功率水平，带来的代价是高功耗。Eta Devices的做法是，通过每秒高达2000万次的采样，选择出晶体管两端消耗最低功耗的电压。

另一个问题是，该公司解释说LTE Advanced 以及100 MHz带宽要求将会为RF功率放大器带来巨大需求。仅仅通过包络跟踪无法适应这种情况，因为它不能支持比40Mhz更宽的信道。据该公司的说法，ETAdvanced支持高达160 MHz的信道，因此它可以同时满足高级LTE和802.11ac标准的Wi-Fi。使用其技术的基站可以非常小，该公司声称，它已经开发出首个平均效率大于70％的LTE发射机。

6、总结

如果完全描述目前为提升RF功率效率所做的工作，可以写一大本书。这些内容不仅局限于本文所讨论的范围，也包括不同类放大器的使用以及配套技术，这些技术的结合可以产生有意义的结果。不管取得的进步有多大，可以肯定的是，只要更高数据速率需求依然存在，对更高效率的探索也必将继续下去。

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