作者： Cree公司 Raymond Pengelly， Ryan Baker， Mattias Astrom和Joel L. Dawson

隨著無(wú)線通信的帶寬、用戶數(shù)目和地理覆蓋范圍的擴(kuò)大，基站收發(fā)器的功率放大器部分對(duì)于更高效率的需求不斷增長(zhǎng)。無(wú)線功率放大器所消耗的功率超過(guò)了基站運(yùn)行所需功率的一半。通過(guò)提高效率來(lái)減少功耗具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，首先，最明顯的優(yōu)勢(shì)是降低了運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)，更少的廢熱意味著更低的設(shè)備冷卻需求和更高的可靠性。如果能夠減少對(duì)溫升問(wèn)題的關(guān)注度，那么無(wú)線運(yùn)營(yíng)商為了應(yīng)對(duì)4G和未來(lái)技術(shù)所帶來(lái)的無(wú)線數(shù)據(jù)使用量的大幅增加而選建設(shè)新基站時(shí)，其在選址方面會(huì)更加靈活。

圖1： 具有四種幅值級(jí)別的AMO調(diào)制技術(shù)的理論效率，對(duì)比兩級(jí) AMO和 “一級(jí)”移相（或稱為L(zhǎng)INC，即“具有非線性成分的線性放大”）。

但是，更高的效率要求4G無(wú)線信號(hào)擁有更寬帶寬和高線性，為了解決這個(gè)問(wèn)題，最近新創(chuàng)企業(yè)Eta Devices正在為一項(xiàng)在麻省理工學(xué)院（MIT）開(kāi)發(fā)的技術(shù)：非對(duì)稱多級(jí)移相（asymmetric multilevel outphasing， AMO）技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化開(kāi)發(fā)。此AMO技術(shù)將移相技術(shù)的高線性配備了提升效率、多級(jí)別、分立開(kāi)關(guān)的漏極偏置電壓。分立開(kāi)關(guān)漏極偏置電壓是支持寬帶寬、同時(shí)保持高效率的關(guān)鍵所在，而這也是這項(xiàng)技術(shù)超越傳統(tǒng)包絡(luò)跟蹤技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)。圖 1 顯示了AMO技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)效率提升，超越單獨(dú)的移相技術(shù)。

在任何移相系統(tǒng)中，最大化的效率是通過(guò)單個(gè)功率放大器的性能獲取的。在大功率放大器設(shè)計(jì)中，Eta Devices公司使用GaN HEMT器件，這種器件的實(shí)際峰值漏極效率超過(guò)了80%。選用GaN技術(shù)是因?yàn)槠渚哂邢啾痊F(xiàn)有硅器件的更好性能，后者在相同條件下峰值漏極效率僅勉強(qiáng)超過(guò)70%。

配合高性能RF放大器，電源開(kāi)關(guān)系統(tǒng)必須針對(duì)具有最小瞬變的低損耗開(kāi)關(guān)而優(yōu)化，系統(tǒng)的時(shí)序是非常重要的，這就需要管理每個(gè)信號(hào)和控制路徑中的延遲。一旦正確地同步，Eta Devices的專有數(shù)字預(yù)失真（DPD）技術(shù)就成為了實(shí)現(xiàn)4G系統(tǒng)的嚴(yán)苛相鄰信道功率比 （ACPR）規(guī)范的關(guān)鍵。這種架構(gòu)已經(jīng)在多種功率級(jí)別和應(yīng)用中實(shí)施，包括用于手機(jī)和WLAN傳送器的1W PA（功率放大器）到用于基站的100W PA，并使用了多種半導(dǎo)體材料如GaN、GaA和硅材料。

AMO對(duì)比ET工作

目前，業(yè)界有兩種眾所周知通過(guò)非線性功率放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)線性放大的方法，就是移相 （outphasing） 和包絡(luò)跟蹤（ET）。移相使用了兩個(gè)在恒幅下工作的相位調(diào)制放大器，輸入信號(hào)可轉(zhuǎn)換為特征相位并送至放大器，其輸出是組合的，以便相位成分的增強(qiáng)和刪除能夠準(zhǔn)確復(fù)制輸入的信號(hào)。在實(shí)踐中，移相需要功率組合器，能夠?yàn)槊總€(gè)PA提供一致的負(fù)載；在放大器之間實(shí)現(xiàn)隔離，并提供大功率處理能力。這些特性可能難以實(shí)現(xiàn)，尤其是在寬頻帶上。移相的另一個(gè)限制就是具有高峰值平均功率比 （peak-to-average power ratio）（低平均功率輸出）的信號(hào)會(huì)導(dǎo)致效率降低，因?yàn)樽栊载?fù)載浪費(fèi)并消耗了許多放大器功率。

ET將RF信號(hào)分成單獨(dú)的相位角和振幅成分。PA在飽和模式下工作，通常為開(kāi)關(guān)模式之一，例如Class E。相位調(diào)制應(yīng)用于RF驅(qū)動(dòng)，而為PA供電的DC電源則通過(guò)振幅包絡(luò)進(jìn)行調(diào)制，因此相位和振幅同時(shí)在輸出端還原。盡管ET非常普及，但它仍然受到4G和WLAN標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越多的帶寬要求的挑戰(zhàn)。對(duì)于ET來(lái)說(shuō)，問(wèn)題的關(guān)鍵是電源調(diào)制器，必須在許多不同的性能方面有所提升。它必須處理大量功率、效率很高、具有高線性度、具有高分辨率、在系統(tǒng)中幾乎不產(chǎn)生噪聲，并且支持寬頻調(diào)制?，F(xiàn)代的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)需要增加帶寬而不放松任何其它性能要求，使得只采用ET技術(shù)的方案的未來(lái)前景受到懷疑。

移相和包絡(luò)跟蹤的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)已由AMO解決，后者結(jié)合了移相和包絡(luò)跟蹤的最合適特性來(lái)改進(jìn)性能。圖2所示為AMO方框圖，圖2a顯示了基本功能；圖2b闡述了典型的實(shí)施方案。它從信號(hào)處理開(kāi)始，提供相位調(diào)制信號(hào)給功率放大器，而功率放大器具有多級(jí)電源調(diào)制器。放大了的信號(hào)的輸出結(jié)合了保持非線性PA高效率的高線性度。

圖2： AMO方框圖。

AMO解決方案的物理特性有利于在高效率下實(shí)現(xiàn)高帶寬調(diào)制，但它是以在此AMO實(shí)施核心的非傳統(tǒng)DPD方案為代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。雖然DPD架構(gòu)是非傳統(tǒng)的，但所需要的計(jì)算資源與傳統(tǒng)DPD的并無(wú)不同。因此，它沒(méi)有產(chǎn)生與增加了的數(shù)字復(fù)雜性相關(guān)的隱藏功率成本，所以不會(huì)損害總體效率的增益?？傊?，AMO允許權(quán)衡解決移相和包絡(luò)跟蹤行為的限制，從而實(shí)現(xiàn)了在每個(gè)方面都具有最佳特性的系統(tǒng)。

圖4： Class E GaN放大器照片。

GaN器件和PA設(shè)計(jì)

核心開(kāi)關(guān)模式（switch-mode） PA的效率決定了移相、ET和AMO等技術(shù)的最大系統(tǒng)效率。對(duì)于現(xiàn)有的無(wú)線通訊放大器，大多數(shù)最高效率的生產(chǎn)器件都采用GaN工藝來(lái)生產(chǎn)。例如，在麻省理工學(xué)院（MIT） （注2）開(kāi)發(fā)的原型中使用的GaN HEMT器件（注1）？，它們?cè)谧畲箫柡洼敵龉β噬弦?guī)定了65% （3.6 GHz） 和 》 70% （2 GHz） 的典型效率。圖3所示為PA電路圖，而圖4是已組裝的放大器照片。對(duì)于AMO應(yīng)用，PA經(jīng)設(shè)計(jì)在整個(gè)由階梯式開(kāi)關(guān)電源調(diào)制器提供的漏極電壓范圍具有良好的性能。

整體性能

一個(gè)完整的傳送器（參見(jiàn)圖5）包含了幾種附加的系統(tǒng)成分。基帶I和Q信號(hào)被傳送至采用FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)字預(yù)失真（DPD）和調(diào)制信號(hào)處理器中。在此系統(tǒng)中，DPD通過(guò)查找表來(lái)實(shí)現(xiàn)，該表是以PA上傳送器在不同組合DC電平所測(cè)出的靜態(tài)非線性特性來(lái)建立的。移相信道相位調(diào)制數(shù)據(jù)被傳送到兩個(gè)PA的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和相位調(diào)制器。振幅調(diào)制數(shù)據(jù)，以及粗略的延遲校正則驅(qū)動(dòng)電源調(diào)制器電路。RF前置放大器提供了必需的驅(qū)動(dòng)電平，而在輸出端，組合器將PA輸出匯總到一個(gè)RF輸出中。

圖5： 測(cè)試傳送器方框圖。

性能總結(jié)

AMO將單獨(dú)采用移相和包絡(luò)跟蹤其中一種方法時(shí)所得的理想屬性相結(jié)合。圖6所示為四級(jí)AMO測(cè)試傳送器的效率與帶寬性能對(duì)比。AMO系統(tǒng)架構(gòu)使用Class E GaN PA，與最新的DPD方案相結(jié)合，在1MHz帶寬上提供了平均70%的已調(diào)制漏極效率，而在20MHz帶寬上僅輕微降至68%。電源調(diào)制器損耗已包含在這一效率測(cè)量中。

圖6： 在2.14GHz、100W峰值功率、7dB PAPR和ACPR 》 45dBc上的效率與帶寬對(duì)比。

圖7顯示了采用最新DPD方案的相鄰信道中的頻譜能量。在20MHz信道帶寬上，ACPR性能大于54dBc，同時(shí)可保持68%的效率。效率與功率回退 （backoff）對(duì)比測(cè)量數(shù)據(jù)如圖8所示。雖然在最大平均輸出功率上，這些器件具有70%的已調(diào)制漏極效率 （包括調(diào)制器損耗），但在功率回退上的性能可以說(shuō)是更重要的。這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商幾乎從來(lái)不在最大平均輸出功率上運(yùn)行他們的基站。相反地，它們通常以最大值的30至50% 工作。圖8顯示，對(duì)于最大平均功率的10dB功率回退，該器件系統(tǒng)僅損失10%的效率。對(duì)于具有7dB PAPR的信號(hào)，這實(shí)際上從峰值功率上回退了17dB。

圖7： 20MHz BW， 7dB PAPR傳送的頻譜性能，載波頻率為2.14GHz，輸出功率為100W峰值。

圖8： 在功率回退下的測(cè)量效率 （ACPR 》 45dBc）。圖中顯示了四個(gè)單獨(dú)的漏極電壓，虛線說(shuō)明了在整個(gè)功率回退范圍上四級(jí)AMO如何達(dá)到系統(tǒng)效率。

這項(xiàng)技術(shù)正繼續(xù)擴(kuò)展其能力，專注于支持LTE和MC-GSM，實(shí)現(xiàn)軟件定義無(wú)線電，并且迎接擴(kuò)展的帶寬標(biāo)準(zhǔn)比如WLAN的挑戰(zhàn)。

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