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[導(dǎo)讀]摘 要:隨著無線通信技術(shù)的快速演進,無線通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)變得尤為重要。功率放大器作為無線通信系統(tǒng)中影響發(fā)射機輸出功率、效率、線性度等指標(biāo)的重要器件,其研究和設(shè)計的重點也相應(yīng)發(fā)生著變化。了解并掌握PA的相關(guān)演進過程與趨勢,對于PA的設(shè)計和研發(fā)有著重要的意義。因此,文章通過基于20年間文獻的調(diào)研成果,介紹了PA的演進歷程、研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及其中一些亟待解決的問題。

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。

射頻與微波功率放大器發(fā)展的歷程、現(xiàn)狀與趨勢

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。

射頻與微波功率放大器發(fā)展的歷程、現(xiàn)狀與趨勢


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。

射頻與微波功率放大器發(fā)展的歷程、現(xiàn)狀與趨勢


射頻與微波功率放大器發(fā)展的歷程、現(xiàn)狀與趨勢


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。



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