如何提升射頻功率放大器的效率

　　經(jīng)典Doherty放大器(圖2)，可以歸類于負(fù)載調(diào)制架構(gòu)，實(shí)際上由兩個(gè)放大器組成：一個(gè)載波放大器偏置在AB類模式下進(jìn)行操作，而峰值放大器偏置成C類 模式。一個(gè)功分器將輸入信號(hào)以90°相位差等分給每個(gè)放大器。放大后，信號(hào)通過(guò)功率耦合器被重新合成。兩個(gè)放大器在輸入信號(hào)處于峰值時(shí)會(huì)同時(shí)操作，每個(gè)都表現(xiàn)為一個(gè)負(fù)載阻抗，以最大化輸出功率。

　　然而，隨著輸入信號(hào)功率的下降，C類峰值放大器被關(guān)閉，只有AB類載波放大器仍然工作。在較低的功率電平時(shí)，AB類載波放大器表現(xiàn)為經(jīng)調(diào)制的負(fù)載阻抗，以提升效率和增益。隨著該架構(gòu)重新煥發(fā)活力，Doherty放大器設(shè)計(jì)在快速的迭代中取得了重大進(jìn)展，也獲得了巨大成功。

　　當(dāng)然，沒(méi)有任何架構(gòu)是完美的。Doherty放大器的線性度和輸出功率比雙AB類放大器都稍差些。這給我們帶來(lái)了另一個(gè)重要的電路，也已成為當(dāng)今通信環(huán)境中必不可少的選擇：模擬和數(shù)字線性化技術(shù)。該技術(shù)中使用最廣泛的是數(shù)字預(yù)失真(DPD)，有時(shí)與波峰因子降低(CFR)組合使用。DPD和CFR都可以大幅 降低Doherty的失真，精心的器件和放大器設(shè)計(jì)可以最大限度地降低線性損失。然而，它們沒(méi)有嚴(yán)格定義在Doherty放大器中使用，在其它放大器結(jié)構(gòu) 中使用效果也相當(dāng)明顯。

　　提升線性度

　　現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)要求放大器的線性度足夠高，否則會(huì)出現(xiàn)互調(diào)失真從而降低信號(hào)質(zhì)量。不幸的是，放大器性能最佳時(shí)，它們都已接近飽和電平，隨后，它們變得非線性化，RF功率輸出隨輸入功率增加而下降，并且開(kāi)始出現(xiàn)顯著失真。這種失真會(huì)導(dǎo)致相鄰信道或服務(wù)的串?dāng)_。結(jié)果，設(shè)計(jì)人員通常將RF輸出功率回退到一個(gè)“安全區(qū)”，以確保線性度。當(dāng)他們這樣做時(shí)，多個(gè)RF晶 體管是必需的，以達(dá)到給定的RF輸出功率，這將增加電流消耗，并導(dǎo)致續(xù)航時(shí)間縮短，或在基站中會(huì)造成更高的運(yùn)營(yíng)成本。

　　DPD有效地在放大器 的輸入端引入了“反失真”，消除了放大器的非線性。其結(jié)果是，放大器不需要回退到最佳工作點(diǎn)，從而不需要更多的射頻功率器件。由于放大器變得更加高效，帶 來(lái)的好處是散熱成本的降低和所有重要電力消耗的減少。CFR工作時(shí)，通過(guò)減小輸入信號(hào)的峰均比來(lái)持續(xù)檢查失真情況，這種作法降低了信號(hào)的峰值，以使信號(hào)通 過(guò)放大器時(shí)不致產(chǎn)生削波或失真。當(dāng)DPD和CFR一起使用時(shí)，可以取得更大的增益。

　　異相功率放大器方法

　　另一個(gè)技術(shù)，是近80年前由Henri Chireix 發(fā)明并持有的專利技術(shù)，通常被稱為“outphasing”(異相功率放大器，負(fù)載調(diào)制技術(shù)家族的一員)，目前被富士通、恩智浦等用于提升放大器效率。它 結(jié)合了兩種非線性RF功率放大器，由不同相位的信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)放大器。因?yàn)閷?duì)相位進(jìn)行了控制，使得當(dāng)輸出信號(hào)耦合時(shí)，使用B類RF功率放大器可以實(shí)現(xiàn)效率增 益。謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)技術(shù)，特別是選擇適當(dāng)?shù)碾娍?，可以將系統(tǒng)優(yōu)化到一個(gè)特定的輸出幅度，這將帶來(lái)兩倍的效率提升(至少理論上如此)。

　　富士通去年 宣布其已經(jīng)在某個(gè)功率放大器中采用了outphasing方法，集成緊湊、低損耗的功率耦合電路，并帶有一個(gè)基于DSP的相位誤差校正補(bǔ)償電路，相比現(xiàn)有 放大器普遍的65%傳輸時(shí)間，該放大器傳輸時(shí)間可以超過(guò)95%。對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試，這種功率放大器的峰值輸出可以達(dá)到100瓦;平均電效率從50%提高到 70%。

　　輸入信號(hào)被分成具有恒定幅度和相位變化的兩個(gè)信號(hào)。振幅依RF功率器件設(shè)定，功率耦合電路重構(gòu)源信號(hào)波形。先前，當(dāng)源信號(hào)重構(gòu)時(shí)，耦合精度損失需要確定相位差，阻止了該技術(shù)的商用。富士通使用的耦合器具有更短的信號(hào)路徑，降低了損耗并增大了帶寬。

　　恩智浦極具前景的開(kāi)發(fā)

　　Outphasing 機(jī)制沒(méi)有負(fù)載調(diào)制效果的一個(gè)變體被稱為非線性概念的線性放大(LINC)，采用一個(gè)分離耦合器和放大級(jí)驅(qū)動(dòng)到飽和，并能有效地提高線性度和峰值效率。但 LINC放大器效率相對(duì)較低，因?yàn)槊總€(gè)放大器工作在一個(gè)恒定功率上，即使低RF輸出電平時(shí)也如此。Chireix修正了這一點(diǎn)，通過(guò)結(jié)合 outphasing和一個(gè)非分離耦合器和負(fù)載調(diào)制，從而提升了平均效率。恩智浦半導(dǎo)體公司做了進(jìn)一步提升，用outphasing控制兩個(gè)開(kāi)關(guān)模式的 RF放大器，使它們適應(yīng)高波峰因子信號(hào)。該公司正在將Chireixoutphasing技術(shù)與GaN HEMT開(kāi)關(guān)式E類放大器結(jié)合起來(lái)(圖3)。

　　圖3：簡(jiǎn)化后的Chireix 異相功率放大器結(jié)構(gòu)框圖。