采用功率放大器提高寬帶通信系統(tǒng)的效率

軍事和航空航天通信的一個(gè)關(guān)鍵要求是避免竊聽的能力。隨著攔截技術(shù)變得越來越復(fù)雜，傳輸系統(tǒng)所采用的調(diào)制和加密方案也必須如此。軍用和航空電子通信系統(tǒng)現(xiàn)在使用高度靈活的無線電通信，從頻帶跳到頻帶，以及采用寬帶協(xié)議以允許有效地加擾數(shù)據(jù)，并且實(shí)際上使傳輸看起來越來越像竊聽者的噪聲。 然而，向更復(fù)雜的調(diào)制方案和寬帶擴(kuò)頻通信技術(shù)的轉(zhuǎn)變給用于RF的功率放大器帶來了更大的壓力，這些功率放大器通常針對(duì)相對(duì)窄的頻帶進(jìn)行調(diào)諧以提高效率。嘗試將這些設(shè)備用于寬帶操作會(huì)導(dǎo)致低能效。類似的過程已經(jīng)影響了商業(yè)環(huán)境。例如，在諸如GSM的商業(yè)協(xié)議中，選擇高斯最小頻移鍵控技術(shù)是因?yàn)樗试S線性功率放大器在其最有效的飽和區(qū)域中操作。更復(fù)雜的調(diào)制方案，例如正交幅度調(diào)制，可提供更高的頻譜效率，允許將更多數(shù)據(jù)打包到更小的帶寬中，或?yàn)榧用芴峁└蟮挠嗔?。由于這些調(diào)制方案改變了相位和幅度而不僅僅是GMSK的相位，功率放大器需要進(jìn)一步下降到其線性區(qū)域，這比靠近飽和區(qū)域工作的功率效率低。

隨著調(diào)制方案的到來更復(fù)雜的是，峰均比或波峰因數(shù)惡化。對(duì)于來自商業(yè)環(huán)境的比較，與7 dB的3G UMTS和3 dB的GSM相比，LTE將峰值平均值取為10 dB。這又導(dǎo)致了電路級(jí)技術(shù)的發(fā)展，這些技術(shù)可以在不損失效率的情況下提供寬帶通信。

解決這個(gè)問題的一種方法是采用現(xiàn)代形式的功率放大器設(shè)計(jì)。 20世紀(jì)30年代威廉多爾蒂在貝爾實(shí)驗(yàn)室。該電路并聯(lián)使用兩個(gè)放大器。一個(gè)是有效的，第二個(gè)放大器為調(diào)制峰值增加了額外的能量。由于主放大器可以在接近飽和點(diǎn)的“后退”條件下運(yùn)行更長時(shí)間，因此整體效率會(huì)提高。次級(jí)放大器提供對(duì)信號(hào)的微調(diào)控制。

原則上，使用比2更多的放大器可以提高效率，但也會(huì)增加成本和復(fù)雜性。隨著通信技術(shù)進(jìn)入更高水平的數(shù)字復(fù)雜性和頻譜效率，N路Doherty設(shè)計(jì)可能會(huì)變得更加普遍。

圖1：Doherty放大器架構(gòu)。雖然Doherty放大器的架構(gòu)優(yōu)雅且概念簡單，但設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)可能會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生很大差異。操作受輸入分頻器的耦合系數(shù)以及載波和峰值放大器級(jí)偏置的方式的影響。峰值放大器開啟的方式取決于輸入功率電平和柵極偏置電壓，這也決定了低輸出和峰值條件的功率效率。如何設(shè)置這些參數(shù)取決于要應(yīng)用的信號(hào)類型。例如，如果峰值放大器的柵極偏置電壓更負(fù)，則此放大器將打開，這將提高效率在退避條件下，但實(shí)際效率結(jié)果可能不適用于復(fù)雜的信號(hào)調(diào)制方案。

對(duì)于波峰因數(shù)超過10 dB的信號(hào)，來自Doherty放大器的98%以上的RF功率是由載波放大器。在不到2%的時(shí)間內(nèi)，不需要使用峰值放大器。

首先描述Doherty建議一年后，包絡(luò)跟蹤是另一種可以通過具有高波峰的復(fù)雜寬帶調(diào)制方案提高效率的方法

信封跟蹤使用數(shù)字控制器不斷調(diào)整功率放大器的電源電壓。這避免了放大器被提供過高電壓的情況，該電壓將導(dǎo)致過多的能量被簡單地作為熱量消散。由于電壓降低允許晶體管在更大比例的時(shí)間內(nèi)完全飽和，因此包絡(luò)跟蹤的效率提高往往會(huì)使放大器進(jìn)一步工作在理想范圍內(nèi)。由于包絡(luò)跟蹤電路施加的電壓降低，其實(shí)際輸出降低。

圖2：包絡(luò)跟蹤調(diào)制電壓以符合實(shí)際調(diào)制方案所需的輸出幅度時(shí)間。結(jié)果Doherty和包絡(luò)跟蹤技術(shù)可以組合在一個(gè)電路中，以提供每個(gè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。通常，包絡(luò)跟蹤應(yīng)用于載波放大器，同時(shí)常規(guī)驅(qū)動(dòng)峰值放大器以處理當(dāng)提供給載波放大器的電壓達(dá)到其最大值時(shí)不能滿足的峰值。在效率方面存在折衷，因?yàn)榉诸l器/組合器中的損耗以及由于峰值放大器僅在非常短的時(shí)間段內(nèi)被驅(qū)動(dòng)到飽和而導(dǎo)致高幅度信號(hào)的效率損失。然而，對(duì)于在非常高的波峰因數(shù)調(diào)制方案中常見的較低幅度信號(hào)，由于其在飽和區(qū)域中的長期操作，載波放大器的效率可以保持在高水平。

圖3：Doherty和包絡(luò)跟蹤Doherty與傳統(tǒng)功率放大器效率的比較。 (：Moon等，2010)

為了支持寬帶調(diào)制方案，功率晶體管和放大器本身也在不斷發(fā)展。硅鎵和砷化鎵正受到來自硅鍺和氮化鎵等技術(shù)的日益激烈的競爭。

GaN支持制造高電子遷移率晶體管(HEMT)結(jié)構(gòu)，以提供比硅器件更高的電子速度。高遷移率源于二維電子氣在組分材料之間的界面處形成的方式。這種氣體中的載流子比硅等材料更自由地移動(dòng)。因此，GaN晶體管更適合用于高頻功率開關(guān)電路。

GaN的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是器件能夠在高溫條件下工作，這對(duì)硅器件來說很有挑戰(zhàn)性，適合于軍事應(yīng)用所需的極端環(huán)境。作為高功率，高頻晶體管的一個(gè)例子，Cree的CGH40006P是一種GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)。 CGH40006P采用28 V電源軌，為各種射頻和微波應(yīng)用提供通用的寬帶解決方案。 GaN HEMT提供高效率，高增益和寬帶寬能力，使CGH40006P成為線性和壓縮放大器電路的理想選擇，并且已經(jīng)證明了許多電路將該技術(shù)用于Doherty和包絡(luò)跟蹤Doherty應(yīng)用(1，2) 。該晶體管采用焊接式藥丸封裝?；贕aN的晶體管可在DC至6 GHz范圍內(nèi)工作，以滿足寬帶通信系統(tǒng)的需求。

RFMD的RF3931還采用GaN實(shí)現(xiàn)48 V 30 W高功率分立放大器，專為無線基礎(chǔ)設(shè)施而設(shè)計(jì)。通用寬帶放大器應(yīng)用。放大器的工藝技術(shù)可在單個(gè)放大器設(shè)計(jì)中在寬頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率和平坦增益RF3931本身是一種無與倫比的GaN晶體管，采用密封的法蘭陶瓷封裝，通過采用先進(jìn)的散熱器和功耗技術(shù)提供出色的熱穩(wěn)定性。在封裝外部使用簡單匹配網(wǎng)絡(luò)允許在單個(gè)放大器中使用寬帶增益和功率性能。該晶體管可提供直流至3.5 GHz的輸出功率，可提供高達(dá)50 W的輸出功率。

M/A-Com設(shè)計(jì)的GaN基器件適用于適用于雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖功率運(yùn)行以及用于通信的連續(xù)波應(yīng)用。 MAGX系列包括MAGX-000035系列，一種30 MHz至3.5 GHz功率晶體管，可在碳化硅襯底上部署GaN，以提供額外的堅(jiān)固性。這款無與倫比的器件采用耗盡型結(jié)構(gòu)，采用法蘭或無法蘭的陶瓷封裝，可提供出色的散熱性能。結(jié)合SiC襯底和GaN技術(shù)，這種器件非常適合高溫環(huán)境，結(jié)溫可達(dá)200°C。對(duì)于低功率發(fā)射器應(yīng)用，Avago Technologies的ATF-50189是一款高線性度，低噪聲增強(qiáng)型假晶HEMT，采用低成本表面貼裝SOT89封裝。增強(qiáng)模式操作允許簡單的單電源偏置，并且通過使用貼片電阻，允許偏置電流針對(duì)單元到單元的變化進(jìn)行微調(diào)。通過在相同偏置點(diǎn)提供低噪聲和高輸出IP3的組合意味著該器件適用于接收器和發(fā)送器應(yīng)用，簡化了較小無線電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其工作頻率范圍為400 MHz至3.9 GHz。

由于功率器件和電路架構(gòu)的進(jìn)步，現(xiàn)在可以在高度加密的寬帶通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高光譜和高能效。隨著GaN等工藝的改進(jìn)和團(tuán)隊(duì)對(duì)Doherty和包絡(luò)跟蹤方案的權(quán)衡有了更深入的了解，我們可以期待看到進(jìn)一步的增強(qiáng)。