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提升射频功率放大器效率的最全方法!

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提高功率放大器效率的基本方法可以分为三种:Kahn包络分离和恢复技术、异相调制技术(即 LINC)、Doherty结构等。

1.Kahn 包络分离和恢复技术

Kahn 包络分离和恢复技术,也有人叫做EE&R技术。Kahn 把输入信号分解成相位和幅度信息的表示形式。其中,相位信息通过非线性功放,幅度信息用来控制功放的供电电压。EE&R 的优点在于它让射频功放总是工作在比较高效的开关模式状态,在很宽的输出功率范围内都有较高的效率,平均效率比正常要高3-5倍。为了减小相位和振幅对不准的问题,延迟线是必要的。加入输出包络反馈电路可减小互调失真。无线应用的现代发射机中,包络和相位调制信号使用数字信号处理(DSP)技术,很易分开产生。这样具有常数包络的相位调制信号使用直接或二次变换方案上变频到希望的输出RF频率上。

EE&R 的主要缺点在于存在调制的精确度和性能随时间和温度的变化问题,并且限幅器的非理想性和调制器的 AM/PM 转换等因素都将影响放大器输出的失真产物,有时会产生附加的高阶产物。EE&R 技术己经在高功率的 TV 广播系统中使用,但在微波射频的应用目前还处于研究阶段。

图1 Kahn 包络分离和恢复技术

图1 Kahn 包络分离和恢复技术


2. LINC技术

LINC,Cox 于 70 年代在研究异相放大器的基础上提出的一种效率提高技术。LINC 利用非线性功率放大器高效率的特点,把输入的非恒包络的调制信号分解为相位分量确定且两路幅度恒定的信号,通过工作在非线性状态下的高效率的放大器放大,由于相位分量已知,且两路信号的幅度恒定,非线性功率放大器的相移和幅度增益也是已知的,且大小相等;因此,两路放大后的信号只需进行相位校和补偿后合并就得到放大的无失真的信号。

LINC 的一个很大特点是它可以使用非线性较强的功率放大器,因而具有非常高的效率,理论上效率可以达到 100%。LINC 使用混合合成器来完成功率合成,实现高隔离度和确定的阻抗。和前馈技术相似,LINC 对相位和幅度的不平衡非常敏感,LINC 系统的两个射频回路的相位和增益必须匹配才能确保在合成器正确合成,同样需要采用自适应增益和相位调整保信号不失真。此外,LINC 需采用宽带放大器才能工作正常。

图2 LINC技术

图2 LINC技术


3. Doherty结构

Doherty是重头戏,当然需要放到后面。现在基站中已经大概大部分都是Doherty结构了。

Doherty 放大器由 Doherty 于 1936 年提出的一种的效率提高技术。Doherty放大器是将输入信号进行功率分配,信号通过工作在 AB 类状态的放大器,即载波放大器;和工作在 C 类状态的放大器,即峰值放大器,信号通过载波放大器和峰值放大器放大后在输出端通过负载调制网络实现功率合成。由于无线通信的迅速发展,Doherty 放大器越来越受到重视。目前多路 Doherty 放大器和多阶 Doherty 放大器都是研究的重点与热点。

目前使用 Doherty 结构提高效率,采用数字预失真技术提高线性成为各家通讯设备商设计线性功放的主流方法。

图3 Doherty结构

图3 Doherty结构


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4显示了RF部分占基站整体功耗的比例情况。

图4 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。

图4 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5 一个典型的Doherty放大器

图5 一个典型的Doherty放大器


经典Doherty放大器(图5),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6 简化后的Chireix 异相功率放大器结构框图。

图6 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。

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