射頻與微波功率放大器發(fā)展的歷程、現(xiàn)狀與趨勢

引 言

功率放大器（PA）是射頻與微波系統(tǒng)中發(fā)射機末端的關(guān)鍵元件，其作用是將輸入信號在需要的頻帶上進行放大，并使其功率達到系統(tǒng)所要求的等級水平，故PA 的性能直接影響到整個通信系統(tǒng)信號的傳輸距離和傳輸質(zhì)量。分析 PA 的演進歷程、研究現(xiàn)狀與國內(nèi)外發(fā)展趨勢，有利于分析不同類型PA 產(chǎn)生的原因及特點，有利于PA 設(shè)計在無線通信技術(shù)發(fā)展中所面臨的輸出功率、效率、線性度等一些問題的解決，對設(shè)計良好的PA 有一定的研究意義。

1 功率放大器的演進

功率放大器（PA）的發(fā)展歷程如圖 1 所示，其中列舉了 無線通信系統(tǒng)發(fā)展中的一些代表性事件。從圖 1中可以看出， PA主要經(jīng)歷了發(fā)展初期、平穩(wěn)過渡階段蓬勃發(fā)展階段這三個 發(fā)展階段。 

1.1 發(fā)展初期 

如圖 1 所示，1833 年，F(xiàn)araday 最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻不 同于一般的金屬，其電阻隨溫度升高而降低，這被認為是半 導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn) ；1904 年，電子二極管問世 ；1906 年， 真空三極管的問世推動了無線電廣播系統(tǒng)的發(fā)展 ；1920 年， 隨著半導(dǎo)體的進一步發(fā)展，人們開始研究 PA，設(shè)計出傳統(tǒng)的 模擬功率放大器有 A 類、B 類、AB 類及 C 類 ；為了解決 AB 類功率回退、效率降低的問題，1936 年，Doherty 提出了可以 提高射頻 PA 效率的一種解決方案 [1]，即為 DPA ；為了進一步 實現(xiàn) PA 的高效率指標(biāo)，1958 年，Tyler 第一次提出了高效 F 類 PA 的一般性闡述 [2] ；1975 年，Sokal 在文獻中提出了 E 類 PA 的基本模型 [3]，因其高頻性能出色、結(jié)構(gòu)簡單而廣泛應(yīng)用 于無線通信、開關(guān)電源等領(lǐng)域中。

1.2 平穩(wěn)過渡階段

1980 年，數(shù)字預(yù)失真（Digital Pre-Distortion，DPD）被首次提出，進而破解了 PA 線性化技術(shù)中的難題，隨之DPA 受到研究重視 ；1990 年，由于對線性度和效率折衷的迫切需要，AB、B 類PA 又得到了大力的研究與快速的發(fā)展 ；如圖 1 所示，2000 年，Grebennikov 重新分析了 F 類PA[4]，并設(shè)計出了三次諧波峰化的負載網(wǎng)絡(luò)，解決了 F 類PA 效率較低的問題，繼而逆F 類PA 問世。由于這一段時期為模擬移動通信向著數(shù)字移動通信跨越的交叉時期，無線通信技術(shù)正處于轉(zhuǎn)型階段，故導(dǎo)致 PA 的研究隨著無線通信的平穩(wěn)發(fā)展而緩慢推進。

1.3 蓬勃發(fā)展階段

2003年，為了提高 PA的效率與線性度，DPD首次結(jié)合AB類PA的應(yīng)用如圖 1所示，2005 年為降低 E類PA晶體管的峰值電壓，進而減小其被擊穿的風(fēng)險，提高整體電路的可靠性，逆E類PA問世 ；隨著無線通信系統(tǒng)的進一步需求與快速發(fā)展，2006年，為解決PA效率低、帶寬窄的問題，簡化其拓撲結(jié)構(gòu)，J 類PA 被提出，并于 2009 年由Cripps 團隊首次實現(xiàn)了J 類功率放大器的實體化設(shè)計 [5] ；2010 年，高效、寬帶連續(xù)F 類PA 問世，與此同時，為解決傳統(tǒng) AB 類PA 必須工作在效率較低的功率回退區(qū)的問題，包絡(luò)跟蹤（ET）PA 問世。

隨著無線通信新標(biāo)準(zhǔn)、新技術(shù)的不斷發(fā)展，要求提高射頻與微波PA 的各種性能，進一步降低成本、減小尺寸與重量。同時擁有良好的線性度、高輸出功率及效率?；?PA 的發(fā)展歷程與演進原因，所有這些問題對其設(shè)計提出了新的要求，并決定了PA 的下一步發(fā)展趨勢。

2 PA的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 PA的研究現(xiàn)狀

按照PA文獻的發(fā)表時間、數(shù)量進行分析，從圖2 可以得出， 1995 ～2004 年為慢速上升期，2005 ～2011 年上升速度較快，2012 ～ 2014 年，則有所下降并出現(xiàn)波動。通過對Journals& Magazines 雜志的論文發(fā)表量進行分析，可以看出PA 文獻的發(fā)表數(shù)目是逐年上升的。由此可以說明，PA 在近 20 年里的研究在持續(xù)升溫，并成為熱門的研究課題。

由表 1 可知，通過對 PA 相關(guān)會議的地點分布進行分析， 美洲排名第一，亞太地區(qū)和 歐洲次之，發(fā)現(xiàn)可提供學(xué) 術(shù)交流平臺的地區(qū)多為發(fā)達 國家，如美國、英國、日本 等國家，顯而易見的是美國 占 78%，說明其占有絕對的 研究優(yōu)勢，而中國僅占 3%， 說明中國在 PA 研究領(lǐng)域仍 然處于發(fā)展初期。

2.2 PA 研究的發(fā)展趨勢 

近幾十年來影響射頻與 微波功率放大器發(fā)展的因素 主要為器件、工藝與技術(shù)， 如表 2 所示，文獻的索引率 及引用率反映了近四年 PA 研究的熱點課題。通過表 2 的分析 結(jié)果，結(jié)合文獻分析與 PA 有關(guān)的熱點研究，可以分為 E 類 PA、DPD、GaN、Doherty、晶體管模型等，具體相關(guān)的熱點 研究方向為以下幾個方面 ：

（1）由于高效率 PA 的研究是未來發(fā)展方向，故針對 E 類 PA 的研究仍將是重點 ； 

（2）DPD 技術(shù)作為提高 PA 線性度的熱點研究方法，其 寬帶特性也是重點研究對象，未來 PA 線性度研究仍是重點 ； 

（3）GaN PA 雖然出現(xiàn)較晚，但是近些年擁有較高的關(guān)注 度，表明了其強勁的研究態(tài)勢，是未來大功率 PA 的主力； 

（4）PA 設(shè)計的基礎(chǔ)為晶體管的建模，因其非線性效應(yīng)的 建模是提升 PA 線性度等指標(biāo)的重要保障，因此也將是研究 熱點之一 ； 

（5）Doherty PA 是電路架構(gòu)研究方式中的熱點問題，因 為它可以實現(xiàn)效率和線性度的良好折中，同時針對峰均比信號 具有良好的平均效率。

3 結(jié) 語

綜上所述，PA 的研究仍是一個持續(xù)升溫、熱門的課題， 設(shè)計具有高集成度、低成本、高效率的集成 PA，以及研究具 有高效率、高線性度等指標(biāo)的 GaN 分立 PA，將是未來射頻 與微波功率放大器的發(fā)展趨勢，同時通過提高現(xiàn)有 PA 的效率、 線性度及晶體管模型精度，通過新型器件和新穎的設(shè)計技術(shù)， 將有利于促進無線通信系統(tǒng)的進一步發(fā)展。