射頻與微波功率放大器的分類研究現(xiàn)狀

引 言

近年來無線通信系統(tǒng)經(jīng)歷了一場快速而又激烈的技術變革，因此導致其軟件到硬件都要變革。功率放大器（Power Amplifier，PA）作為重要的硬件模塊，其很多特性指標如功率輸出、線性度、可靠性等對無線通信很重要，因此也在不斷變革。了解不同類型PA 的設計背景、材料及工藝研究現(xiàn)狀， 有利于實現(xiàn) PA 設計時各指標間的良好折中與優(yōu)化，進而實現(xiàn)PA 最佳性能與成本結(jié)構的框架優(yōu)化，合理實現(xiàn)不同無線通信系統(tǒng)需求。而現(xiàn)有的文獻綜述往往通過個案介紹不同類型PA 研究現(xiàn)狀，缺乏一定的統(tǒng)計學規(guī)律。為了彌補上述不足，本文通過文獻綜述方式，針對不同類型的晶體管對不同類型的功率放大器的研究現(xiàn)狀進行了研究。

1 RF/MW PA的研究概況

無線通信系統(tǒng)紛繁復雜，對于PA 的設計要求也多種多樣， 沒有哪一種PA 能夠同時滿足所有系統(tǒng)的需求，因此就產(chǎn)生了很多不同類型的PA?，F(xiàn)有的PA 按照工作原理的不同可以分為傳統(tǒng) PA 和開關PA，傳統(tǒng) PA（A、B、AB、C 類）設計原理較簡單，設計思路接近，同時其 A 類和 AB 類PA 具有較高的線性度，但是效率較低，相比之下，開關類 PA 則具有較高的效率但是線性度較差。

在各種類型的PA 中，傳統(tǒng) AB 類電路結(jié)構簡單，被認為是效率和線性度折中的電路類型，但是功率壓縮等特性導致它在較高效率工作時，線性度惡化較嚴重。如現(xiàn)有商用GaN HEMT PA 在滿足 30 dB 的三階交調(diào)的 C/I（Carriers to the Intermodulation）指標時，僅有 28% 的效率[1]。在理想情況下， AB 類PA 僅有 78.5% 的效率，實際效率將低于此結(jié)果。

當傳統(tǒng) AB 類（或 B）類 PA 的效率指標無法滿足現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)的需求時， 開關型 PA（Switching Mode PA，SMPA）的研究則繼續(xù)推動了高效率 PA 的發(fā)展，SMPA 將有源晶體管驅(qū)動為開關模式，晶體管的工作狀態(tài)要么是開，要么是關，其電壓和電流的時域波形不存在交疊現(xiàn)象，所以是直流功耗為零，理想的效率能達到 100%。開關模式工作狀態(tài)使放大器脫離線性區(qū)域，從而不能調(diào)制變包絡信號（像WCDMA、TDS-CDMA、QPSK 等信號），只能調(diào)制對線性度要求比較弱的恒包絡信號（FM、FSK、GMSK 等信號）。如圖1所示，高效、開關 PA 可分為D、逆D、E、逆E、F、逆F、Continuous F 類、逆Continuous F 類、Continuous E 類等。

D 類PA 首次被提出是在 1958 年，它與推挽（Puch-Pull） B 類PA 結(jié)構很接近，與一般的線性AB 類PA 相比，D 類PA 具有體積小、功率高等特點；逆 D 類（Current Mode Class D， CMCD）PA 在 2001 年問世，在此之后，其工作頻率和效率指標不斷提升，由于其輸出負載為 RLC 并聯(lián)電路，且諧振于固定工作頻率，致使它的效率同樣受晶體管寄生封裝的影響，如GaN CMCD PA 目前實現(xiàn)了最高在 2.14 GHz 頻率的高效工作狀態(tài)，已實現(xiàn)的最高功率附加效率（Power Added Efficiency， PAE）為 71.3%[3] ；

E 類 PA 是一種強開關型、 高效率的 PA，1975 年由Sokal 提出[4]，其設計思路為通過對晶體管的電壓整形，減小開關導通瞬間的損耗，但對開關截至未做波形控制，一定程度上致使 PA 的效率降低，故E 類PA 需要高擊穿電壓的功率器件 ；逆 E 類PA 于 2005 年被提出，從一定程度上降低了 PA

電路受功率器件寄生效應的影響。

F 類PA 是一種由諧波控制的高效率 PA，1958 年由Tyler 提出[5]，其設計目的是基于B 類PA 經(jīng)高次諧波峰化，實現(xiàn)對晶體管電壓、電流波形優(yōu)化，減小開關的損耗，達到提高 PA 效率的目標 ；為進一步提高 F 類PA 的效率，降低直流功率， 逆F 類PA 于 2000 年問世，高效率因素使得F 類和逆F 類PA 變得非常流行。

J 類PA 是一種利用調(diào)整二次諧波、控制電壓與電流而獲得良好寬帶特性的 PA，2006 年由Cripps 提出[6] ；2010 年， Carrubba 首次提出Continuous F 類 PA[7]， 通過改變輸出電路二次諧波阻抗相位響應與優(yōu)化基波負載阻抗，實現(xiàn)寬帶特性下功率器件的輸出具有恒定功率、高效率特性 ；2012 年， Mustafa 首次提出Continuous E 類 PA 的設計方法， 使寬帶Continuous E 類PA 的進一步實現(xiàn)有了可能，但目前仍處于理論研究中[8]。

PA 經(jīng)過從“A-J”類及其它交叉類型的發(fā)展，因無線通信系統(tǒng)的不同需求而具有各自不同的研究背景及特點。多種類型的PA 設計技術的結(jié)合或交叉發(fā)展，將有利于提升PA 電路的輸出功率、效率及線性度等指標。

2 不同類型 RF/MW PA的工藝研究現(xiàn)狀

對晶體管工藝按照頻率和輸出功率進行比較研究，可以根據(jù)其發(fā)展規(guī)律獲得不同時期多對應的PA 產(chǎn)生的原因及應用特點。晶體管按照半導體材料主要分為 CMOS、LDMOS、GaAs及 GaN HEMT 等工藝。

2.1 晶體管工藝

CMOS 工藝以 Si 材料為襯底，Si 材料豐富、價格低廉，進而容易實現(xiàn)單個 CMOS上的單芯片系統(tǒng)，實現(xiàn)低成本下的 高度集成。LDMOS 工藝具有高線性度、功耗低、工藝簡單、 性價比高的優(yōu)點，適合應用于大功率的系統(tǒng)中，但隨著系統(tǒng) 工作頻率的升高，其寄生參數(shù)對性能的影響越來越大，導致 晶體管只適合應用于較低頻率的系統(tǒng)中（一般小于 3 GHz）； GaAs pHEMT 工藝具有低噪聲、高功率輸出、高效率及溫度 穩(wěn)定的特點，GaAs HBT 工藝適合高功率、高效率、高線性度 的 PA 設計，因單電源供電，易簡化實際電路與設計電路的實 現(xiàn)難度 ；GaN HEMT 在禁帶寬度、高頻噪聲小、介電常數(shù)大、 高輸出功率、高頻率特性等電學特性方面具有絕對優(yōu)勢。

如圖 2 所示，通過對應用廣泛的常見半導材料進行頻率 與輸出功率的比較，SiC 與 GaN 因具有較高的擊穿電壓而獲 得較高的功率密度，進而可以輸出大功率 ；相比于其它半導體 材料及工藝，在高頻頻段產(chǎn)生大輸出功率的只有 GaN，因其 具有高電子飽和遷移率，從而獲得大功率輸出密度，進而提高 工藝器件的開關速度，以保證 GaN HEMT 工藝器件在高頻段 領域獲得應用。 

2.2 高效 PA 設計中功率晶體管的應用趨勢 

截止到 2014 年底，在過去的 10 年中，IEEE 數(shù)據(jù)庫中 關 于 CMOS、LDMOS、GaAs pHEMT、GaAs HBT 及 GaN HEMT 三代 PA 的研究文獻數(shù)目、發(fā)表年份的統(tǒng)計結(jié)果見表 1 所列。統(tǒng)計論文包括會議論文、期刊和雜志論文，根據(jù)其綜合 趨勢分析 RF/MW PA 的現(xiàn)狀如下：

通過對表 1 分析， 可以發(fā)現(xiàn)， 由于 D 類 PA 的應用領域為低頻段，且常用于音頻放大電路的設計，要求其成本較低，故采用CMOS 和 LDMOS 工藝 ；由于 E 類PA 對晶體管要求苛刻，要求器件必須擁有擊穿電壓高、輸出電容小及開關性能出色的性能，通過表 1 可發(fā)現(xiàn) E 類PA 多采用CMOS 與LDMOS 工藝，原因為該E 類PA 在高于 2 GHz 時其晶體管寄生參數(shù)會惡化電路指標，且漏極輸出電容會發(fā)生漏極電壓和電流畸變現(xiàn)象 ；F 類PA 具有較高的漏極效率，相對輸出功率最大，對晶體管的耐壓需求最低，即對工藝要求較低，根據(jù)不同應用需求可采用不同的晶體管工藝，故可發(fā)現(xiàn)其研究文獻數(shù)目相對均勻。

J 類PA 屬于具有寬帶輸出的功率放大器，需要晶體管的輸出電容較低，故可以發(fā)現(xiàn)多采用GaN HEMT 工藝 ；由于連續(xù)F 類PA 是基于J 類PA 產(chǎn)生，屬于新型PA，故其晶體管工藝研究情況與J 類PA 相似。

由此可見，不同類型的晶體管在不同類型的PA 的設計中占有的比重不同，這可以間接說明不同類型的晶體管適用的PA 類型各有不同，因此可以指導PA 設計者選用適合晶體管設計所需類型的電路。

3 結(jié) 語

綜上所述，文章通過分析射頻與微波功率放大器的分類及其特性，研究晶體管的工藝現(xiàn)狀，將有利于新型PA 的設計實現(xiàn)。不同類型 PA 的工作機理不同，具有的特性和應用領域 也不同，進一步提高 PA 的功率輸出、效率及線性度等指標仍 將是新一代 PA 研究的趨勢。