最大化功率放大器的線性度不應(yīng)伴隨著電信設(shè)備功耗過高或系統(tǒng)復(fù)雜性增加的警告。在此設(shè)計(jì)解決方案中，我們考慮了三種不同的線性化技術(shù)是否適合部署在5G電信基礎(chǔ)設(shè)施中，同時(shí)牢記這些限制。

介紹

“如果用胖魔術(shù)標(biāo)記繪制在對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)刻度上，一切都是線性的。”這個(gè)所謂的“馬爾定律”提出了一個(gè)半開玩笑的觀點(diǎn)，即有時(shí)如何操縱數(shù)據(jù)測(cè)量以適應(yīng)比現(xiàn)實(shí)更線性的輪廓。然而，對(duì)于功率放大器（PA）來說，實(shí)現(xiàn)高線性度沒有這樣的捷徑，而功率放大器（PA）是移動(dòng)蜂窩通信基礎(chǔ)設(shè)施的核心。隨著 5G 或第 5 代蜂窩移動(dòng)通信的展開部署，對(duì)這些放大器的性能提出了進(jìn)一步的要求。

在這個(gè)設(shè)計(jì)解決方案中，我們介紹了5G電信技術(shù)有望帶來的功能和優(yōu)勢(shì)，以及它將對(duì)PA設(shè)計(jì)提出的相關(guān)要求。然后，我們回顧了最常用的PA線性化技術(shù)，評(píng)估了它們是否適合滿足這些需求，然后介紹了一種低功耗線性化器IC，該IC有可能大大簡(jiǎn)化PA設(shè)計(jì)，同時(shí)降低其在5G應(yīng)用中的功耗。

5G 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)賽

與現(xiàn)有的電信技術(shù)相比，5G有望提供多種優(yōu)勢(shì)。它將為更多的并發(fā)用戶提供更高的數(shù)據(jù)速率，同時(shí)延長(zhǎng)移動(dòng)設(shè)備的電池壽命。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，PA必須以盡可能高的效率和比目前更高的帶寬（高達(dá)100MHz）運(yùn)行。

放大器線性度

完全線性的PA應(yīng)該只產(chǎn)生所需輸入信號(hào)的放大版本。實(shí)際上，這樣的PA并不存在。相反，非線性會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)失真，隨著放大器接近飽和點(diǎn)，失真量會(huì)增加（圖 2）。

圖2.輸出功率與失真之間的關(guān)系。

對(duì)于多音輸入信號(hào)，非線性會(huì)導(dǎo)致 PA 輸出端出現(xiàn)不需要的交調(diào)頻率（圖 3）。

圖3.PA生成的互調(diào)項(xiàng)。

降低PA失真需要使用某種形式的線性化技術(shù)。在以下各節(jié)中，我們將討論5G背景下最常見的線性化技術(shù)的操作和適用性。

退避

限制最大輸出功率電平，使整個(gè)信號(hào)位于PA傳輸曲線的線性區(qū)域內(nèi)，是一種通常稱為“退避”的技術(shù)。這種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，隨著PA工作點(diǎn)進(jìn)一步遠(yuǎn)離其飽和點(diǎn)，放大器的效率（將直流電源轉(zhuǎn)換為RF能量的能力）會(huì)降低。滿足某些系統(tǒng)所需的信號(hào)峰均比（PAR）所需的回退量可能會(huì)將PA的效率降低至8%。這會(huì)導(dǎo)致更高的功耗、更高的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本和更大的散熱器。因此，退避不是在5G應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)可接受效率的合適線性化方法。

有源線性化

在不降低效率的情況下提高PA線性度需要一種稱為“預(yù)失真”的有源線性化形式。使用這種技術(shù)，可以“預(yù)測(cè)”PA固有非線性引起的失真量，并將其逆輸入信號(hào)路徑，從而相對(duì)于放大器輸出端的所需信號(hào)減小不需要的音調(diào)的大小（圖4）。這被指定為相鄰?fù)ǖ佬孤┍龋?a target="_blank">ACLR），應(yīng)至少為-50dBc。

圖4.具有預(yù)失真線性化的PA輸出特性。

兩種常用的有源線性化類型是數(shù)字預(yù)失真（DPD）和射頻功率放大器線性化（RFPAL）。

DPD

如圖5所示，數(shù)字預(yù)失真（DPD）將預(yù)失真校正信號(hào)添加到信號(hào)鏈中最早點(diǎn)（即數(shù)字基帶）的所需信號(hào)中。

圖5.數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

DPD系統(tǒng)可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)。雖然提供完全集成的版本（包括基帶、數(shù)字和RF），但某些解決方案具有獨(dú)立的數(shù)字基帶和分立RF。另一種變體包括帶有RF收發(fā)器（和DPD觀察路徑）的FPGA。然而，收發(fā)器的工作頻率是輸入信號(hào)帶寬的5倍，這大大增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜性、尺寸和功耗（典型值為5W），這使得DPD不適合在小型低功耗應(yīng)用中使用。

RFPAL

下面的圖6顯示了使用稱為RFPAL的替代有源線性化預(yù)失真技術(shù)的系統(tǒng)的高級(jí)框圖。

圖6.射頻預(yù)失真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

使用獨(dú)立射頻在/射頻外架構(gòu)和自適應(yīng)RF預(yù)失真技術(shù)，這種方法允許校正信號(hào)僅在需要的點(diǎn)（即PA的輸入）注入。這意味著系統(tǒng)可以使用更簡(jiǎn)單、更小的發(fā)射器和基帶架構(gòu)在較低的頻率（輸入信號(hào)帶寬）下工作，比DPD系統(tǒng)需要更少的功率。直到最近，使用RFPAL的最大線性化輸入通道帶寬僅為60MHz。 圖7顯示了克服這一限制的新型RFPAL IC。

圖7.SC1905 RFPAL典型應(yīng)用電路。

該產(chǎn)品的工作頻率范圍高達(dá)3.8GHz，具有高達(dá)100MHz的線性化輸入信號(hào)帶寬。功耗僅為1280mW，與DPD解決方案相比，功耗降低了70%。圖8顯示了使用該線性化器的典型PA測(cè)得的ACLR和效率性能（5個(gè)非連續(xù)20MHz LTE通道，10dB PAR）。

圖8.使用 SC1905 RFPAL 的 PA ACLR。

對(duì)于37dBm的輸出功率電平，PA在-50dB ACLR時(shí)的效率為23%（在沒有RFPAL的情況下ACLR改進(jìn)~8dB）。此外，由于該RFPAL器件已通過幾種常用PA（包括A類、AB類和Doherty）進(jìn)行了評(píng)估，因此它有效地代表了“即插即用”解決方案，降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性、周期持續(xù)時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)。該 IC 采用 9mm x 9mm QFN 封裝，解決方案總尺寸（包括電源、散熱器和外殼）僅為 6.5cm2.此外，如果需要，可以使用混頻器對(duì)線性化PA信號(hào)進(jìn)行上變頻，適用于高達(dá)6GHz的應(yīng)用。

結(jié)論

5G電信設(shè)備將需要以比以往更高的帶寬和更高的效率運(yùn)行。所用PA的線性度和效率將是滿足這些要求的關(guān)鍵。在本設(shè)計(jì)解決方案中，我們考慮了一些最常見的PA線性化技術(shù)。我們已經(jīng)證明，退避不適合在5G設(shè)計(jì)中使用，但使用DPD作為有源線性化的一種形式可以提高整體線性度和效率。然而，這是一項(xiàng)高度復(fù)雜的技術(shù)，導(dǎo)致整體系統(tǒng)功耗增加，解決方案尺寸更大。我們可以得出結(jié)論，使用小型即插即用RFPAL IC可以實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單、更低功耗的線性化形式，從而提高輸入信號(hào)帶寬高達(dá)100MHz的PA效率。它適用于各種應(yīng)用中不同架構(gòu)（A/AB/Doherty）、工藝（GaAs、GaN、InGa）和頻率（698MHz至3.8GHz）的PA。這使其成為5G無線蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施和其他應(yīng)用的最佳選擇。

審核編輯：郭婷