如何提升射频功率放大器的效率-安泰维修

从半导体到放大器再到发射器，以及大学和国防部，每年都花费大量的时间和财力，以提升RF功率器件的效率。这么做有充足的理由：即使是效率的细微提升，也可以延长电池驱动类产品的工作时间，并降低无线基站每年的电力消耗。图1显示了RF部分占基站整体功耗的比例情况。

图1：将基站电力消耗中的各种射频相关部分加起来，最终结果值将相当大。

幸运的是，经过连年不断努力提升RF效率，这些情况在逐渐改变。这些工作有一些是在器件级，有些则采用了一些创新技术，比如包络跟综，数字预失真/波峰因子降低方案，以及采用比常见AB类级别更高级的放大器。

提升线性度

现代数字调制技术要求放大器的线性度足够高，否则会出现互调失真从而降低信号质量。不幸的是，放大器性能最佳时，它们都已接近饱和电平，随后，它们变得非线性化，RF功率输出随输入功率增加而下降，并且开始出现显著失真。这种失真会导致相邻信道或服务的串扰。结果，设计人员通常将RF输出功率回退到一个“安全区”，以确保线性度。当他们这样做时，多个RF晶体管是必需的，以达到给定的RF输出功率，这将增加电流消耗，并导致续航时间缩短，或在基站中会造成更高的运营成本。

DPD有效地在放大器的输入端引入了“反失真”，消除了放大器的非线性。其结果是，放大器不需要回退到最佳工作点，从而不需要更多的射频功率器件。由于放大器变得更加高效，带来的好处是散热成本的降低和所有重要电力消耗的减少。CFR工作时，通过减小输入信号的峰均比来持续检查失真情况，这种作法降低了信号的峰值，以使信号通 过放大器时不致产生削波或失真。当DPD和CFR一起使用时，可以取得更大的增益。

异相功率放大器方法

另一个技术，是由Henri Chireix 发明并持有的专利技术，通常被称为“outphasing”（异相功率放大器，负载调制技术家族的一员），目前被富士通、恩智浦等用于提升放大器效率。它结合了两种非线性RF功率放大器，由不同相位的信号驱动两个放大器。因为对相位进行了控制，使得当输出信号耦合时，使用B类RF功率放大器可以实现效率增益。谨慎的设计技术，特别是选择适当的电抗，可以将系统优化到一个特定的输出幅度，这将带来两倍的效率提升（至少理论上如此）。

富士通宣布已经在某个功率放大器中采用了outphasing方法，集成紧凑、低损耗的功率耦合电路，并带有一个基于DSP的相位误差校正补偿电路，相比现有放大器普遍的65%传输时间，该放大器传输时间可以超过95％。对该设计进行测试，这种功率放大器的峰值输出可以达到100瓦；平均电效率50％提高到70％。

输入信号被分成具有恒定幅度和相位变化的两个信号。振幅依RF功率器件设定，功率耦合电路重构源信号波形。先前，当源信号重构时，耦合精度损失需要确定相位差，阻止了该技术的商用。富士通使用的耦合器具有更短的信号路径，降低了损耗并增大了带宽。

包络跟综

另一个放大器设计人员关注的重点技术是包络跟踪，这种技术中，施加到功率放大器的电压被连续地调整，以确保它工作在峰值区域，从而使功率最大。相对于典型功率放大器设计中DC-DC转换器提供的固定电压，包络跟踪电源以一个高带宽、低噪声波形调制连接到该放大器的电源，该波形则被同步到瞬时包络信号。

在CMOS RF功率器件中使用包络跟踪技术具备相当大的吸引力。Nujira多年来一直在开发这种技术。他们已经表明，该技术能够克服CMOS RF放大器应用中因非线性导致的缺点。CMOS功率放大器一直被诟病是目前高PAR调制技术的一个糟糕选择，因为它们固有的线性度较差，这就要求它们必须回退以减小失真。当CMOS放大器在较高的RF功率电平工作时，会出现削波和失真。

然而，Nujira在其专有的包络跟踪技术中结合了其专利ISOGAIN线性化技术来消除线性问题，而无需使用DPD。使用这种技术的设备达到了高效率目标，已经在其它方面实现了与GaAs同样的性能。所有研究CMOS放大器的一个巨大好处是，CMOS器件在整个电子行业中普遍存在，有很多代工厂家支撑，因此相对便宜。因为它基于硅，也可以在功率放大器芯片上直接集成控制和偏置电路。

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