射頻功率放大器(RF PA)是發射係統中的主要部分,其重要性不言而喻。在發射機的前級電路中,調製振蕩電路所產生的射頻信號功率很小,需要經過一係列的放大(緩衝級、中間放大級、末級功率放大級)獲得足夠的射頻功率以後,才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率,必須采用射頻功率放大器。在調製器產生射頻信號後,射頻已調信號就由 RF PA 將它放大到足夠功率,經匹配網絡,再由天線發射出去。


放大器的功能,即將輸入的內容加以放大並輸出。輸入和輸出的內容,中幣網稱之為“信號”,往往表示為電壓或功率。對於放大器這樣一個“係統”來說,它的“貢獻”就是將其所“吸收”的東西提升一定的水平,並向外界“輸出”。如果放大器能夠有好的性能,那麽它就可以貢獻更多,這才體現出它自身的“價值”。如果放大器存在著一定的問題,那麽在開始工作或者工作了一段時間之後,不但不能再提供任何“貢獻”,反而有可能出現一些不期然的“震蕩”,這種“震蕩”對於外界還是放大器自身,都是災難性的。

 

射頻功率放大器的主要技術指標是輸出功率與效率,如何提高輸出功率和效率,是射頻功率放大器設計目標的核心。通常在射頻功率放大器中,可以用 LC 諧振回路選出基頻或某次諧波,實現不失真放大。除此之外,輸出中的諧波分量還應該盡可能地小,以避免對其他頻道產生幹擾。

 

 

分類

根據工作狀態的不同,功率放大器分類如下:

 

 

傳統線性功率放大器的工作頻率很高,但相對頻帶較窄,射頻功率放大器一般都采用選頻網絡作為負載回路。射頻功率放大器可以按照電流導通角的不同,分為甲(A)、乙(B)、丙(C)三類工作狀態。甲類放大器電流的導通角為 360°,適用於小信號低功率放大,乙類放大器電流的導通角等於 180°,丙類放大器電流的導通角則小於 180°。乙類和丙類都適用於大功率工作狀態,丙類工作狀態的輸出功率和效率是三種工作狀態中最高的。射頻功率放大器大多工作於丙類,但丙類放大器的電流波形失真太大,隻能用於采用調諧回路作為負載諧振功率放大。由於調諧回路具有濾波能力,回路電流與電壓仍然接近於正弦波形,失真很小。

 

開關型功率放大器(Switching Mode PA,SMPA),使電子器件工作於開關狀態,常見的有丁(D)類放大器和戊(E)類放大器,丁類放大器的效率高於丙類放大器。SMPA 將有源晶體管驅動為開關模式,晶體管的工作狀態要麽是開,要麽是關,其電壓和電流的時域波形不存在交疊現象,所以是直流功耗為零,理想的效率能達到 100%。

 

傳統線性功率放大器具有較高的增益和線性度但效率低,而開關型功率放大器具有很高的效率和高輸出功率,但線性度差。具體見下表:

 

 

電路組成

放大器有不同類型,簡化之,放大器的電路可以由以下幾個部分組成:晶體管、偏置及穩定電路、輸入輸出匹配電路。

 

 

1、晶體管

晶體管有很多種,包括當前還有多種結構的晶體管被發明出來。本質上,晶體管的工作都是表現為一個受控的電流源或電壓源,其工作機製是將不含內容的直流的能量轉化為“有用的”輸出。直流能量乃是從外界獲得,晶體管加以消耗,並轉化成有用的成分。不同的晶體管不同的“能力”,比如其承受功率的能力有區別,這也是因為其能獲取的直流能量的能力不同所致;比如其反應速度不同,這決定它能工作在多寬多高的頻帶上;比如其麵向輸入、輸出端的阻抗不同,及對外的反應能力不同,這決定了給它匹配的難易程度。

 

2、偏置電路及穩定電路

偏置和穩定電路是兩種不同的電路,但因為他們往往很難區分,且設計目標趨同,所以可以放在一起討論。

 

晶體管的工作需要在一定的偏置條件下,中幣網稱之為靜態工作點。這是晶體管立足的根本,是它自身的“定位”。每個晶體管都給自己進行了一定的定位,其定位不同將決定了它自身的工作模式,在不同的定位上也存在著不同的性能表現。有些定位點上起伏較小,適合於小信號工作;有些定位點上起伏較大,適合於大功率輸出;有些定位點上索取較少,釋放純粹,適合於低噪聲工作;有些定位點,晶體管總是在飽和和截至之間徘徊,處於開關狀態。一個恰當的偏置點,是正常工作的礎。在設計寬帶功率放大器時,或工作頻率較高時,偏置電路對電路性能影響較大,此時應把偏置電路作為匹配電路的一部分考慮。

 

偏置網絡有兩大類型,無源網絡和有源網絡。無源網絡(即自偏置網絡)通常由電阻網絡組成,為晶體管提供合適的工作電壓和電流。它的主要缺陷是對晶體管的參數變化十分敏感,並且溫度穩定性較差。有源偏置網絡能改善靜態工作點的穩定性,還能提高良好的溫度穩定性,但它也存在一些問題,如增加了電路尺寸、增加了電路排版的難度以及增加了功率消耗。

 

穩定電路一定要在匹配電路之前,因為晶體管需要將穩定電路作為自身的一部分存在,再與外界接觸。在外界看來,加上穩定電路的晶體管,是一個“全新的”晶體管。它做出一定的“犧牲”,獲得了穩定性。穩定電路的機製能夠保證晶體管順利而穩定的運轉。

 

3、輸入輸出匹配電路

匹配電路的目的是在選擇一種接受的方式。對於那些想提供更大增益的晶體管來說,其途徑是全盤的接受和輸出。這意味著通過匹配電路這一個接口,不同的晶體管之間溝通更加順暢,對於不同種的放大器類型來說,匹配電路並不是隻有“全盤接受”一種設計方法。一些直流小、根基淺的小型管,更願意在接受的時候做一定的阻擋,來獲取更好的噪聲性能,然而不能阻擋過了頭,否則會影響其貢獻。而對於一些巨型功率管,則需要在輸出時謹小慎微,因為他們更不穩定,同時,一定的保留有助於他們發揮出更多的“不扭曲的”能量。

 

典型的阻抗匹配網絡有 L 匹配、π形匹配和 T 形匹配。其中 L 匹配,其特點就是結構簡單且隻有兩個自由度 L 和 C。一旦確定了阻抗變換比率和諧振頻率,網絡的 Q 值(帶寬)也就確定了。π形匹配網絡的一個優點就是不管什麽樣的寄生電容,隻要連接到它,都可以被吸到網絡中,這也導致了π形匹配網絡的普遍應用,因為在很多的實際情況中,占支配地位的寄生元件是電容。T 形匹配,當電源端和負載端的寄生參數主要呈電感性質時,可用 T 形匹配來把這些寄生參數吸收入網絡。

 

確保射頻 PA 穩定的實現方式

每一個晶體管都是潛在不穩定的。好的穩定電路能夠和晶體管融合在一起,形成一種“可持續工作”的模式。穩定電路的實現方式可劃分為兩種:窄帶的和寬帶的。

 

窄帶的穩定電路是進行一定的增益消耗。這種穩定電路是通過增加一定的消耗電路和選擇性電路實現的。這種電路使得晶體管隻能在很小的一個頻率範圍內貢獻。另外一種寬帶的穩定是引入負反饋。這種電路可以在一個很寬的範圍內工作。

 

不穩定的根源是正反饋,窄帶穩定思路是遏製一部分正反饋,當然,這也同時抑製了貢獻。而負反饋做得好,還有產生很多額外的令人欣喜的優點。比如,負反饋可能會使晶體管免於匹配,既不需要匹配就可以與外界很好的接洽了。另外,負反饋的引入會提升晶體管的線性性能。

 

射頻 PA 的效率提升技術

晶體管的效率都有一個理論上的極限。這個極限隨偏置點(靜態工作點)的選擇不同而不同。另外,外圍電路設計得不好,也會大大降低其效率。目前工程師們對於效率提升的辦法不多。這裏僅講兩種:包絡跟蹤技術與 Doherty 技術。

 

包絡跟蹤技術的實質是:將輸入分離為兩種:相位和包絡,再由不同的放大電路來分別放大。這樣,兩個放大器之間可以專注的負責其各自的部分,二者配合可以達到更高的效率利用的目標。

 

Doherty 技術的實質是:采用兩隻同類的晶體管,在小輸入時僅一個工作,且工作在高效狀態。如果輸入增大,則兩個晶體管同時工作。這種方法實現的基礎是二隻晶體管要配合默契。一種晶體管的工作狀態會直接的決定了另一支的工作效率。 

 

射頻 PA 麵臨的測試挑戰

功率放大器是無線通信係統中非常重要的組件,但他們本身是非線性的,因而會導致頻譜增生現象而幹擾到鄰近通道,而且可能違反法令強製規定的帶外(out-of-band)放射標準。這個特性甚至會造成帶內失真,使得通信係統的誤碼率(BER)增加、數據傳輸速率降低。

 

在峰值平均功率比(PAPR)下,新的 OFDM 傳輸格式會有更多偶發的峰值功率,使得 PA 不易被分割。這將降低頻譜屏蔽相符性,並擴大整個波形的 EVM 及增加 BER。為了解決這個問題,設計工程師通常會刻意降低 PA 的操作功率。很可惜的,這是非常沒有效率的方法,因為 PA 降低 10%的操作功率,會損失掉 90%的 DC 功率。

 

現今大部分的 RF PA 皆支持多種模式、頻率範圍及調製模式,使得測試項目變得更多。數以千計的測試項目已不稀奇。波峰因子消減(CFR)、數字預失真(DPD)及包絡跟蹤(ET)等新技術的運用,有助於將 PA 效能及功率效率優化,但這些技術隻會使得測試更加複雜,而且大幅延長設計及測試時間。增加 RF PA 的帶寬,將導致 DPD 測量所需的帶寬增加 5 倍(可能超過 1 GHz),造成測試複雜性進一步升高。

 

依趨勢來看,為了增加效率,RF PA 組件及前端模塊(FEM)將更緊密整合,而單一 FEM 則將支持更廣泛的頻段及調製模式。將包絡跟蹤電源供應器或調製器整合入 FEM,可有效地減少移動設備內部的整體空間需求。為了支持更大的操作頻率範圍而大量增加濾波器 / 雙工器插槽,會使得移動設備的複雜度和測試項目的數量節節攀升。

 

半導體材料的變遷:

Ge(鍺)、Si(矽)→→→GaAs(砷化镓)、InP(磷化銦)→→→SiC(碳化矽)、GaN(氮化镓)、SiGe(鍺化矽)、SOI(絕緣層上覆矽) →→→碳納米管(CNT) →→→石墨烯(Graphene)。

 

目前功率放大器的主流工藝依然是 GaAs 工藝。另外,GaAs HBT,砷化镓異質結雙極晶體管。其中 HBT(heterojunction bipolar transistor,異質結雙極晶體管)是一種由砷化镓(GaAs)層和鋁镓砷(AlGaAs)層構成的雙極晶體管。

 

CMOS 工藝雖然已經比較成熟,但 Si CMOS 功率放大器的應用並不廣泛。成本方麵,CMOS 工藝的矽晶圓雖然比較便宜,但 CMOS 功放版圖麵積比較大,再加上 CMOS PA 複雜的設計所投入的研發成本較高,使得 CMOS 功放整體的成本優勢並不那麽明顯。性能方麵,CMOS 功率放大器在線性度,輸出功率,效率等方麵的性能較差,再加上 CMOS 工藝固有的缺點:膝點電壓較高、擊穿電壓較低、CMOS 工藝基片襯底的電阻率較低。

 

碳納米管(CNT)由於具有物理尺寸小、電子遷移率高,電流密度大和本征電容低等特點,人們認為是納米電子器件的理想材料。

 

零禁帶半導體材料石墨烯,因為具有很高的電子遷移速率、納米數量級的物理尺寸、優秀的電性能以及機械性能,必將成為下一代射頻芯片的熱門材料。

 

射頻 PA 的線性化技術

射頻功率放大器的非線性失真會使其產生新的頻率分量,如對於二階失真會產生二次諧波和雙音拍頻,對於三階失真會產生三次諧波和多音拍頻。這些新的頻率分量如落在通帶內,將會對發射的信號造成直接幹擾,如果落在通帶外將會幹擾其他頻道的信號。為此要對射頻功率放大器的進行線性化處理,這樣可以較好地解決信號的頻譜再生問題。

 

射頻功放基本線性化技術的原理與方法不外乎是以輸入 RF 信號包絡的振幅和相位作為參考,與輸出信號比較,進而產生適當的校正。目前己經提出並得到廣泛應用的功率放大器線性化技術包括,功率回退,負反饋,前饋,預失真,包絡消除與恢複(EER),利用非線性元件進行線性放大(LINC) 。較複雜的線性化技術,如前饋,預失真,包絡消除與恢複,使用非線性元件進行線性放大,它們對放大器線性度的改善效果比較好。而實現比較容易的線性化技術,比如功率回退,負反饋,這幾個技術對線性度的改善就比較有限。

 

 

1、功率回退

這是最常用的方法,即選用功率較大的管子作小功率管使用,實際上是以犧牲直流功耗來提高功放的線性度。

 

功率回退法就是把功率放大器的輸入功率從 1dB 壓縮點(放大器有一個線性動態範圍,在這個範圍內,放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加。隨著輸入功率的繼續增大,放大器漸漸進入飽和區,功率增益開始下降,通常把增益下降到比線性增益低 1dB 時的輸出功率值定義為輸出功率的 1dB 壓縮點,用 P1dB 表示。)向後回退 6-10 個分貝,工作在遠小於 1dB 壓縮點的電平上,使功率放大器遠離飽和區,進入線性工作區,從而改善功率放大器的三階交調係數。一般情況,當基波功率降低 1dB 時,三階交調失真改善 2dB。

 

功率回退法簡單且易實現,不需要增加任何附加設備,是改善放大器線性度行之有效的方法,缺點是效率大為降低。另外,當功率回退到一定程度,當三階交調製達到 -50dBc 以下時,繼續回退將不再改善放大器的線性度。因此,在線性度要求很高的場合,完全靠功率回退是不夠的。

 

2、預失真

預失真就是在功率放大器前增加一個非線性電路用以補償功率放大器的非線性失真。

 

預失真線性化技術,它的優點在於不存在穩定性問題,有更寬的信號頻帶,能夠處理含多載波的信號。預失真技術成本較低,由幾個仔細選取的元件封裝成單一模塊,連在信號源與功放之間,就構成預失真線性功放。手持移動台中的功放已采用了預失真技術,它僅用少量的元件就降低了互調產物幾 dB,但卻是很關鍵的幾 dB。

 

預失真技術分為 RF 預失真和數字基帶預失真兩種基本類型。RF 預失真一般采用模擬電路來實現,具有電路結構簡單、成本低、易於高頻、寬帶應用等優點,缺點是頻譜再生分量改善較少、高階頻譜分量抵消較困難。

 

數字基帶預失真由於工作頻率低,可以用數字電路實現,適應性強,而且可以通過增加采樣頻率和增大量化階數的辦法來抵消高階互調失真,是一種很有發展前途的方法。這種預失真器由一個矢量增益調節器組成,根據查找表(LUT)的內容來控製輸入信號的幅度和相位,預失真的大小由查找表的輸入來控製。矢量增益調節器一旦被優化,將提供一個與功放相反的非線性特性。理想情況下,這時輸出的互調產物應該與雙音信號通過功放的輸出幅度相等而相位相反,即自適應調節模塊就是要調節查找表的輸入,從而使輸入信號與功放輸出信號的差別最小。注意到輸入信號的包絡也是查找表的一個輸入,反饋路徑來取樣功放的失真輸出,然後經過 A/D 變換送入自適應調節 DSP 中,進而來更新查找表。

 

3、前饋

前饋技術起源於"反饋",應該說它並不是什麽新技術,早在二三十年代就由美國貝爾實驗室提出來的。除了校準(反饋)是加於輸出之外,概念上完全是"反饋"。 

 

前饋線性放大器通過耦合器、衰減器、合成器、延時線、功分器等組成兩個環路。射頻信號輸入後,經功分器分成兩路。一路進入主功率放大器,由於其非線性失真,輸出端除了有需要放大的主頻信號外,還有三階交調幹擾。從主功放的輸出中耦合一部分信號,通過環路 1 抵消放大器的主載頻信號,使其隻剩下反相的三階交調分量。三階交調分量經輔助放大器放大後,通過環路 2 抵消主放大器非線性產生的交調分量,從而了改善功放的線性度。

 

前饋技術既提供了較高校準精度的優點,又沒有不穩定和帶寬受限的缺點。當然,這些優點是用高成本換來的,由於在輸出校準,功率電平較大,校準信號需放大到較高的功率電平,這就需要額外的輔助放大器,而且要求這個輔助放大器本身的失真特性應處在前饋係統的指標之上。

 

前饋功放的抵消要求是很高的,需獲得幅度、相位和時延的匹配,如果出現功率變化、溫度變化及器件老化等均會造成抵消失靈。為此,在係統中考慮自適應抵消技術,使抵消能夠跟得上內外環境的變化。



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