如何提升射頻功率放大器的效率

　　經(jīng)典Doherty放大器(圖2)，可以歸類于負載調(diào)制架構，實際上由兩個放大器組成：一個載波放大器偏置在AB類模式下進行操作，而峰值放大器偏置成C類 模式。一個功分器將輸入信號以90°相位差等分給每個放大器。放大后，信號通過功率耦合器被重新合成。兩個放大器在輸入信號處于峰值時會同時操作，每個都表現(xiàn)為一個負載阻抗，以最大化輸出功率。

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

　　當然，沒有任何架構是完美的。Doherty放大器的線性度和輸出功率比雙AB類放大器都稍差些。這給我們帶來了另一個重要的電路，也已成為當今通信環(huán)境中必不可少的選擇：模擬和數(shù)字線性化技術。該技術中使用最廣泛的是數(shù)字預失真(DPD)，有時與波峰因子降低(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計可以最大限度地降低線性損失。然而，它們沒有嚴格定義在Doherty放大器中使用，在其它放大器結構 中使用效果也相當明顯。

　　提升線性度

　　現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術要求放大器的線性度足夠高，否則會出現(xiàn)互調(diào)失真從而降低信號質(zhì)量。不幸的是，放大器性能最佳時，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，并且開始出現(xiàn)顯著失真。這種失真會導致相鄰信道或服務的串擾。結果，設計人員通常將RF輸出功率回退到一個“安全區(qū)”，以確保線性度。當他們這樣做時，多個RF晶 體管是必需的，以達到給定的RF輸出功率，這將增加電流消耗，并導致續(xù)航時間縮短，或在基站中會造成更高的運營成本。

　　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。其結果是，放大器不需要回退到最佳工作點，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，通過減小輸入信號的峰均比來持續(xù)檢查失真情況，這種作法降低了信號的峰值，以使信號通 過放大器時不致產(chǎn)生削波或失真。當DPD和CFR一起使用時，可以取得更大的增益。

　　異相功率放大器方法

　　另一個技術，是近80年前由Henri Chireix 發(fā)明并持有的專利技術，通常被稱為“outphasing”(異相功率放大器，負載調(diào)制技術家族的一員)，目前被富士通、恩智浦等用于提升放大器效率。它 結合了兩種非線性RF功率放大器，由不同相位的信號驅動兩個放大器。因為對相位進行了控制，使得當輸出信號耦合時，使用B類RF功率放大器可以實現(xiàn)效率增 益。謹慎的設計技術，特別是選擇適當?shù)碾娍?，可以將系統(tǒng)優(yōu)化到一個特定的輸出幅度，這將帶來兩倍的效率提升(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，并帶有一個基于DSP的相位誤差校正補償電路，相比現(xiàn)有 放大器普遍的65%傳輸時間，該放大器傳輸時間可以超過95%。對該設計進行測試，這種功率放大器的峰值輸出可以達到100瓦;平均電效率從50%提高到 70%。

　　輸入信號被分成具有恒定幅度和相位變化的兩個信號。振幅依RF功率器件設定，功率耦合電路重構源信號波形。先前，當源信號重構時，耦合精度損失需要確定相位差，阻止了該技術的商用。富士通使用的耦合器具有更短的信號路徑，降低了損耗并增大了帶寬。

　　恩智浦極具前景的開發(fā)

　　Outphasing 機制沒有負載調(diào)制效果的一個變體被稱為非線性概念的線性放大(LINC)，采用一個分離耦合器和放大級驅動到飽和，并能有效地提高線性度和峰值效率。但 LINC放大器效率相對較低，因為每個放大器工作在一個恒定功率上，即使低RF輸出電平時也如此。Chireix修正了這一點，通過結合 outphasing和一個非分離耦合器和負載調(diào)制，從而提升了平均效率。恩智浦半導體公司做了進一步提升，用outphasing控制兩個開關模式的 RF放大器，使它們適應高波峰因子信號。該公司正在將Chireixoutphasing技術與GaN HEMT開關式E類放大器結合起來(圖3)。

　　圖3：簡化后的Chireix 異相功率放大器結構框圖。