如何提升射頻功率放大器的效率

熱力學(xué)的基本規(guī)律揭示出沒有電子設(shè)備可以實現(xiàn)100%的效率——雖然開關(guān)電源比較接近(達(dá)到98%)。但不幸的是任何產(chǎn)生RF功率的器件目前都無法達(dá)到或者接近理想的性能，因為將直流功率轉(zhuǎn)換為射頻功率過程中面臨太多的缺陷，包括整個信號路徑傳輸造成的損耗，轉(zhuǎn)到工作頻率時的損耗，以及該器件固有特性損耗等。結(jié)果，MIT科技評論的一篇文章曾毫不客氣的這樣評價RF功率放大器，“它是一個非常低效的硬件。”

毫不奇怪的是，RF功率產(chǎn)品的每一環(huán)節(jié)廠家，從半導(dǎo)體到放大器再到發(fā)射器，以及大學(xué)和國防部，每年都花費(fèi)大量的時間和財力，以提升RF功率器件的效率。這么做有充足的理由：即使是效率的細(xì)微提升，也可以延長電池驅(qū)動類產(chǎn)品的工作時間，并降低無線基站每年的電力消耗。圖1顯示了RF部分占基站整體功耗的比例情況。

圖1：將基站電力消耗中的各種射頻相關(guān)部分加起來，最終結(jié)果值將相當(dāng)大

幸運(yùn)的是，經(jīng)過連年不斷努力提升RF效率，這些情況在逐漸改變。這些工作有一些是在器件級，有些則采用了一些創(chuàng)新技術(shù)，比如包絡(luò)跟綜，數(shù)字預(yù)失真/波峰因子降低方案，以及采用比常見AB類級別更高級的放大器。

放大器設(shè)計的一個重大轉(zhuǎn)變是5年內(nèi)就成為基站放大器標(biāo)準(zhǔn)的Doherty 架構(gòu)。自從貝爾實驗室(隨后成為了西屋電氣的一部分)的Doherty 博士在1936年發(fā)明這種架構(gòu)后，它大部分時間處于沉寂狀態(tài)，只在幾個應(yīng)用中使用過。Doherty 的研究創(chuàng)造了一種新的放大器結(jié)構(gòu)，在輸入信號具備很高峰均比(PAR)時，還可以提供極高的功率附加效率。事實上，如果設(shè)計得當(dāng)，相較于標(biāo)準(zhǔn)并行AB類放 大器，Doherty 放大器的效率可提升11%到14%。

當(dāng)然，在1936年以后的許多年間，只有很少類信號具備這些特性，如通信系統(tǒng)中 使用調(diào)制方案的AM和FM便沒有。而目前，幾乎每一個無線系統(tǒng)都產(chǎn)生高PAR信號，從WCDMA到CDMA2000再到任何采用正交頻分復(fù)用的系統(tǒng) (OFDM)，例如WiMAX，LTE和最近的香餑餑Wi-Fi。

圖2：一個典型的Doherty放大器

經(jīng)典Doherty放大器(圖2)，可以歸類于負(fù)載調(diào)制架構(gòu)，實際上由兩個放大器組成：一個載波放大器偏置在AB類模式下進(jìn)行操作，而峰值放大器偏置成C類 模式。一個功分器將輸入信號以90°相位差等分給每個放大器。放大后，信號通過功率耦合器被重新合成。兩個放大器在輸入信號處于峰值時會同時操作，每個都表現(xiàn)為一個負(fù)載阻抗，以最大化輸出功率。

然而，隨著輸入信號功率的下降，C類峰值放大器被關(guān)閉，只有AB類載波放大器仍然工作。在較低的功率電平時，AB類載波放大器表現(xiàn)為經(jīng)調(diào)制的負(fù)載阻抗，以提升效率和增益。隨著該架構(gòu)重新煥發(fā)活力，Doherty放大器設(shè)計在快速的迭代中取得了重大進(jìn)展，也獲得了巨大成功。

當(dāng)然，沒有任何架構(gòu)是完美的。Doherty放大器的線性度和輸出功率比雙AB類放大器都稍差些。這給我們帶來了另一個重要的電路，也已成為當(dāng)今通信環(huán)境中必不可少的選擇：模擬和數(shù)字線性化技術(shù)。該技術(shù)中使用最廣泛的是數(shù)字預(yù)失真(DPD)，有時與波峰因子降低(CFR)組合使用。DPD和CFR都可以大幅 降低Doherty的失真，精心的器件和放大器設(shè)計可以最大限度地降低線性損失。然而，它們沒有嚴(yán)格定義在Doherty放大器中使用，在其它放大器結(jié)構(gòu) 中使用效果也相當(dāng)明顯。

提升線性度

現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)要求放大器的線性度足夠高，否則會出現(xiàn)互調(diào)失真從而降低信號質(zhì)量。不幸的是，放大器性能最佳時，它們都已接近飽和電平，隨后，它們變得非線性化，RF功率輸出隨輸入功率增加而下降，并且開始出現(xiàn)顯著失真。這種失真會導(dǎo)致相鄰信道或服務(wù)的串?dāng)_。結(jié)果，設(shè)計人員通常將RF輸出功率回退到一個“安全區(qū)”，以確保線性度。當(dāng)他們這樣做時，多個RF晶 體管是必需的，以達(dá)到給定的RF輸出功率，這將增加電流消耗，并導(dǎo)致續(xù)航時間縮短，或在基站中會造成更高的運(yùn)營成本。

DPD有效地在放大器 的輸入端引入了“反失真”，消除了放大器的非線性。其結(jié)果是，放大器不需要回退到最佳工作點(diǎn)，從而不需要更多的射頻功率器件。由于放大器變得更加高效，帶 來的好處是散熱成本的降低和所有重要電力消耗的減少。CFR工作時，通過減小輸入信號的峰均比來持續(xù)檢查失真情況，這種作法降低了信號的峰值，以使信號通 過放大器時不致產(chǎn)生削波或失真。當(dāng)DPD和CFR一起使用時，可以取得更大的增益。

異相功率放大器方法

另一個技術(shù)，是近80年前由Henri Chireix 發(fā)明并持有的專利技術(shù)，通常被稱為“outphasing”(異相功率放大器，負(fù)載調(diào)制技術(shù)家族的一員)，目前被富士通、恩智浦等用于提升放大器效率。它 結(jié)合了兩種非線性RF功率放大器，由不同相位的信號驅(qū)動兩個放大器。因為對相位進(jìn)行了控制，使得當(dāng)輸出信號耦合時，使用B類RF功率放大器可以實現(xiàn)效率增 益。謹(jǐn)慎的設(shè)計技術(shù)，特別是選擇適當(dāng)?shù)碾娍?，可以將系統(tǒng)優(yōu)化到一個特定的輸出幅度，這將帶來兩倍的效率提升(至少理論上如此)。

富士通去年 宣布其已經(jīng)在某個功率放大器中采用了outphasing方法，集成緊湊、低損耗的功率耦合電路，并帶有一個基于DSP的相位誤差校正補(bǔ)償電路，相比現(xiàn)有 放大器普遍的65%傳輸時間，該放大器傳輸時間可以超過95%。對該設(shè)計進(jìn)行測試，這種功率放大器的峰值輸出可以達(dá)到100瓦;平均電效率從50%提高到 70%。

輸入信號被分成具有恒定幅度和相位變化的兩個信號。振幅依RF功率器件設(shè)定，功率耦合電路重構(gòu)源信號波形。先前，當(dāng)源信號重構(gòu)時，耦合精度損失需要確定相位差，阻止了該技術(shù)的商用。富士通使用的耦合器具有更短的信號路徑，降低了損耗并增大了帶寬。

總結(jié)

如果完全描述目前為提升RF功率效率所做的工作，可以寫一大本書。這些內(nèi)容不僅局限于本文所討論的范圍，也包括不同類放大器的使用以及配套技術(shù)，這些技術(shù)的結(jié)合可以產(chǎn)生有意義的結(jié)果。不管取得的進(jìn)步有多大，可以 肯定的是，只要更高數(shù)據(jù)速率需求依然存在，對更高效率的探索也必將繼續(xù)下去。