高效RF功率放大器面臨的大功耗的問題

本文介紹了設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)高效RF功率放大器方面所面臨的挑戰(zhàn)。它簡(jiǎn)要描述了這些大功耗的原因，以及創(chuàng)建更高效和低功耗的RF功率放大器的方法。
毫不奇怪，每個(gè)射頻功率產(chǎn)品制造商，從半導(dǎo)體到放大器再到發(fā)射機(jī)，再加上大學(xué)和國(guó)防部，每年都花費(fèi)大量時(shí)間和金錢來提高發(fā)電效率。并有充分的理由：RF發(fā)電效率即使提高很小。并有充分的理由：效率的微小提高都會(huì)延長(zhǎng)電池供電產(chǎn)品的運(yùn)行時(shí)間，并降低無線基站的年度電費(fèi)。圖1顯示了基站的RF部分對(duì)功耗的貢獻(xiàn)程度。

將各種與射頻相關(guān)的基站組件加起來對(duì)功耗的貢獻(xiàn)有多大，結(jié)果是一個(gè)非常大的數(shù)目。資料來源：Globecom 2010，R。Grant和S. Fletcher。
幸運(yùn)的是，這些努力正在產(chǎn)生的結(jié)果每年都在不斷提高RF效率，其中一些在設(shè)備級(jí)別，而其他則通過使用諸如包絡(luò)跟蹤，數(shù)字預(yù)失真/波峰因數(shù)降低方案以及超越無處不在的更高級(jí)別放大器等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。 AB類。
Doherty體系結(jié)構(gòu)是放大器設(shè)計(jì)的一個(gè)重大變化，該變化在5年內(nèi)已成為基站放大器的標(biāo)準(zhǔn)。自從1936年貝爾實(shí)驗(yàn)室WH Doherty（當(dāng)時(shí)為Western Electric的一部分）發(fā)明以來，它基本上處于休眠狀態(tài)，僅在少數(shù)應(yīng)用中使用。Doherty的研究產(chǎn)生了一種放大器架構(gòu)，該放大器架構(gòu)可通過輸入信號(hào)提供非常高的功率附加效率。具有較高的峰均比（PAR）。實(shí)際上，與標(biāo)準(zhǔn)并行AB類放大器相比，經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計(jì)，Doherty放大器的效率可提高11％至14％。
當(dāng)然，在1936年及隨后的許多年中，只有少數(shù)幾種信號(hào)類型具有這些特性，因?yàn)樵谕ㄐ畔到y(tǒng)中采用的調(diào)制方案是AM和FM。如今，從WCDMA到CDMA2000以及任何采用正交頻分復(fù)用（OFDM）的系統(tǒng)，幾乎每個(gè)無線系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生高PAR信號(hào)。

一個(gè)“經(jīng)典” Doherty放大器。
屬于負(fù)載調(diào)制架構(gòu)類別的經(jīng)典Doherty放大器（圖2）實(shí)際上包括兩個(gè)放大器：偏置為以AB類模式工作的載波放大器，以及偏置為以C類模式工作的峰值放大器。功率分配器將輸入信號(hào)平均分配給每個(gè)放大器，相位差為90度。放大后，信號(hào)將通過功率組合器重新加入。兩個(gè)放大器均在輸入信號(hào)的峰值期間工作，并且均具有負(fù)載阻抗，可實(shí)現(xiàn)最大功率輸出。
但是，隨著輸入信號(hào)功率的降低，C類峰值放大器將關(guān)閉，只有AB類載波可以工作。在這些較低的功率水平下，AB類載波放大器具有調(diào)制的負(fù)載阻抗，可實(shí)現(xiàn)更高的頻率和增益。隨著體系結(jié)構(gòu)的不斷更新，Doherty放大器設(shè)計(jì)的重大進(jìn)步已迅速接success而來，從而取得了無與倫比的成功。
當(dāng)然，沒有架構(gòu)是完美的，Doherty放大器的線性度和輸出功率都比雙AB類放大器小。這把我們帶到了另一個(gè)對(duì)當(dāng)今的通信環(huán)境也至關(guān)重要的重要電路：模擬和數(shù)字線性化技術(shù)，最廣泛使用的是數(shù)字預(yù)失真（DPD），有時(shí)還結(jié)合了波峰因數(shù)降低（CFR）。DPD和CFR都可以大大降低Doherty的失真，精心設(shè)計(jì)的器件和放大器可以最大程度地減少線性度的降低。但是，由于其優(yōu)點(diǎn)在其他放大器架構(gòu)中也很明顯，因此未嚴(yán)格將它們的使用定義為可在Doherty放大器中使用。
直截了當(dāng)
現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)要求放大器具有很高的線性度，否則將出現(xiàn)互調(diào)失真，從而降低信號(hào)質(zhì)量。不幸的是，放大器在接近飽和電平時(shí)表現(xiàn)最佳，此后變?yōu)榉蔷€性，RF功率輸出隨輸入功率的增加而降低，并且開始出現(xiàn)明顯的失真。這種失真會(huì)導(dǎo)致對(duì)相鄰信道或服務(wù)的干擾。結(jié)果，設(shè)計(jì)人員通常出于線性目的而將RF輸出功率回退到“安全區(qū)”。當(dāng)DPD和CFR一起使用時(shí)，可以獲得更大的好處。
淘汰方法
富士通，恩智浦和其他公司正在使用另一種技術(shù)，該技術(shù)在近80年前由Henri Chireix再次開發(fā)并申請(qǐng)了專利，通常被稱為“超相”（負(fù)載調(diào)制技術(shù)家族的成員），以提高放大器的效率。它結(jié)合了兩個(gè)非線性RF功率放大器和兩個(gè)由不同相位的信號(hào)驅(qū)動(dòng)的放大器。對(duì)相位進(jìn)行控制，以便在組合輸出時(shí)，在使用B類RF功率放大器時(shí)可以獲得效率方面的好處。謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)技術(shù)，電抗的特別適當(dāng)選擇，允許這樣的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以一個(gè)特定的輸出振幅，這可以通過兩個(gè)因素（至少在理論上）導(dǎo)致效率的改進(jìn)。
富士通去年宣布已在功率放大器中應(yīng)用淘汰技術(shù)，它集成了緊湊，低損耗，功率合并電路和基于DSP的相位誤差校正補(bǔ)償電路，與過去相比，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)超過95％的傳輸時(shí)間傳輸?，F(xiàn)有放大器通常可達(dá)到65％的比例。測(cè)試了該設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了峰值輸出為100 W的功率放大器。平均電效率從50％提高到70％。
輸入信號(hào)分為振幅和相位變化恒定的兩個(gè)信號(hào)。為RF功率設(shè)備設(shè)置了幅度，功率合并電路重構(gòu)了源信號(hào)的波形。先前，當(dāng)重構(gòu)源信號(hào)時(shí)，結(jié)合建立相位差所需的精度損失，阻止了該技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用。富士通使用的合路器具有較短的信號(hào)路徑，可減少損耗并增加帶寬。