射頻與微波功率放大器發(fā)展的歷程、現(xiàn)狀與趨勢(shì)

引 言

功率放大器（PA）是射頻與微波系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)末端的關(guān)鍵元件，其作用是將輸入信號(hào)在需要的頻帶上進(jìn)行放大，并使其功率達(dá)到系統(tǒng)所要求的等級(jí)水平，故PA 的性能直接影響到整個(gè)通信系統(tǒng)信號(hào)的傳輸距離和傳輸質(zhì)量。分析 PA 的演進(jìn)歷程、研究現(xiàn)狀與國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)，有利于分析不同類型PA 產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)，有利于PA 設(shè)計(jì)在無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展中所面臨的輸出功率、效率、線性度等一些問(wèn)題的解決，對(duì)設(shè)計(jì)良好的PA 有一定的研究意義。

1 功率放大器的演進(jìn)

功率放大器（PA）的發(fā)展歷程如圖 1 所示，其中列舉了 無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)展中的一些代表性事件。從圖 1中可以看出， PA主要經(jīng)歷了發(fā)展初期、平穩(wěn)過(guò)渡階段蓬勃發(fā)展階段這三個(gè) 發(fā)展階段。 

1.1 發(fā)展初期 

如圖 1 所示，1833 年，F(xiàn)araday 最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻不 同于一般的金屬，其電阻隨溫度升高而降低，這被認(rèn)為是半 導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn) ；1904 年，電子二極管問(wèn)世 ；1906 年， 真空三極管的問(wèn)世推動(dòng)了無(wú)線電廣播系統(tǒng)的發(fā)展 ；1920 年， 隨著半導(dǎo)體的進(jìn)一步發(fā)展，人們開始研究 PA，設(shè)計(jì)出傳統(tǒng)的 模擬功率放大器有 A 類、B 類、AB 類及 C 類 ；為了解決 AB 類功率回退、效率降低的問(wèn)題，1936 年，Doherty 提出了可以 提高射頻 PA 效率的一種解決方案 [1]，即為 DPA ；為了進(jìn)一步 實(shí)現(xiàn) PA 的高效率指標(biāo)，1958 年，Tyler 第一次提出了高效 F 類 PA 的一般性闡述 [2] ；1975 年，Sokal 在文獻(xiàn)中提出了 E 類 PA 的基本模型 [3]，因其高頻性能出色、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而廣泛應(yīng)用 于無(wú)線通信、開關(guān)電源等領(lǐng)域中。

1.2 平穩(wěn)過(guò)渡階段

1980 年，數(shù)字預(yù)失真（Digital Pre-Distortion，DPD）被首次提出，進(jìn)而破解了 PA 線性化技術(shù)中的難題，隨之DPA 受到研究重視 ；1990 年，由于對(duì)線性度和效率折衷的迫切需要，AB、B 類PA 又得到了大力的研究與快速的發(fā)展 ；如圖 1 所示，2000 年，Grebennikov 重新分析了 F 類PA[4]，并設(shè)計(jì)出了三次諧波峰化的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，解決了 F 類PA 效率較低的問(wèn)題，繼而逆F 類PA 問(wèn)世。由于這一段時(shí)期為模擬移動(dòng)通信向著數(shù)字移動(dòng)通信跨越的交叉時(shí)期，無(wú)線通信技術(shù)正處于轉(zhuǎn)型階段，故導(dǎo)致 PA 的研究隨著無(wú)線通信的平穩(wěn)發(fā)展而緩慢推進(jìn)。

1.3 蓬勃發(fā)展階段

2003年，為了提高 PA的效率與線性度，DPD首次結(jié)合AB類PA的應(yīng)用如圖 1所示，2005 年為降低 E類PA晶體管的峰值電壓，進(jìn)而減小其被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，提高整體電路的可靠性，逆E類PA問(wèn)世 ；隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的進(jìn)一步需求與快速發(fā)展，2006年，為解決PA效率低、帶寬窄的問(wèn)題，簡(jiǎn)化其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，J 類PA 被提出，并于 2009 年由Cripps 團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了J 類功率放大器的實(shí)體化設(shè)計(jì) [5] ；2010 年，高效、寬帶連續(xù)F 類PA 問(wèn)世，與此同時(shí)，為解決傳統(tǒng) AB 類PA 必須工作在效率較低的功率回退區(qū)的問(wèn)題，包絡(luò)跟蹤（ET）PA 問(wèn)世。

隨著無(wú)線通信新標(biāo)準(zhǔn)、新技術(shù)的不斷發(fā)展，要求提高射頻與微波PA 的各種性能，進(jìn)一步降低成本、減小尺寸與重量。同時(shí)擁有良好的線性度、高輸出功率及效率。基于 PA 的發(fā)展歷程與演進(jìn)原因，所有這些問(wèn)題對(duì)其設(shè)計(jì)提出了新的要求，并決定了PA 的下一步發(fā)展趨勢(shì)。

2 PA的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 PA的研究現(xiàn)狀

按照PA文獻(xiàn)的發(fā)表時(shí)間、數(shù)量進(jìn)行分析，從圖2 可以得出， 1995 ～2004 年為慢速上升期，2005 ～2011 年上升速度較快，2012 ～ 2014 年，則有所下降并出現(xiàn)波動(dòng)。通過(guò)對(duì)Journals& Magazines 雜志的論文發(fā)表量進(jìn)行分析，可以看出PA 文獻(xiàn)的發(fā)表數(shù)目是逐年上升的。由此可以說(shuō)明，PA 在近 20 年里的研究在持續(xù)升溫，并成為熱門的研究課題。

由表 1 可知，通過(guò)對(duì) PA 相關(guān)會(huì)議的地點(diǎn)分布進(jìn)行分析， 美洲排名第一，亞太地區(qū)和 歐洲次之，發(fā)現(xiàn)可提供學(xué) 術(shù)交流平臺(tái)的地區(qū)多為發(fā)達(dá) 國(guó)家，如美國(guó)、英國(guó)、日本 等國(guó)家，顯而易見的是美國(guó) 占 78%，說(shuō)明其占有絕對(duì)的 研究?jī)?yōu)勢(shì)，而中國(guó)僅占 3%， 說(shuō)明中國(guó)在 PA 研究領(lǐng)域仍 然處于發(fā)展初期。

2.2 PA 研究的發(fā)展趨勢(shì) 

近幾十年來(lái)影響射頻與 微波功率放大器發(fā)展的因素 主要為器件、工藝與技術(shù)， 如表 2 所示，文獻(xiàn)的索引率 及引用率反映了近四年 PA 研究的熱點(diǎn)課題。通過(guò)表 2 的分析 結(jié)果，結(jié)合文獻(xiàn)分析與 PA 有關(guān)的熱點(diǎn)研究，可以分為 E 類 PA、DPD、GaN、Doherty、晶體管模型等，具體相關(guān)的熱點(diǎn) 研究方向?yàn)橐韵聨讉€(gè)方面 ：

（1）由于高效率 PA 的研究是未來(lái)發(fā)展方向，故針對(duì) E 類 PA 的研究仍將是重點(diǎn) ； 

（2）DPD 技術(shù)作為提高 PA 線性度的熱點(diǎn)研究方法，其 寬帶特性也是重點(diǎn)研究對(duì)象，未來(lái) PA 線性度研究仍是重點(diǎn) ； 

（3）GaN PA 雖然出現(xiàn)較晚，但是近些年擁有較高的關(guān)注 度，表明了其強(qiáng)勁的研究態(tài)勢(shì)，是未來(lái)大功率 PA 的主力； 

（4）PA 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)為晶體管的建模，因其非線性效應(yīng)的 建模是提升 PA 線性度等指標(biāo)的重要保障，因此也將是研究 熱點(diǎn)之一 ； 

（5）Doherty PA 是電路架構(gòu)研究方式中的熱點(diǎn)問(wèn)題，因 為它可以實(shí)現(xiàn)效率和線性度的良好折中，同時(shí)針對(duì)峰均比信號(hào) 具有良好的平均效率。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，PA 的研究仍是一個(gè)持續(xù)升溫、熱門的課題， 設(shè)計(jì)具有高集成度、低成本、高效率的集成 PA，以及研究具 有高效率、高線性度等指標(biāo)的 GaN 分立 PA，將是未來(lái)射頻 與微波功率放大器的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)通過(guò)提高現(xiàn)有 PA 的效率、 線性度及晶體管模型精度，通過(guò)新型器件和新穎的設(shè)計(jì)技術(shù)， 將有利于促進(jìn)無(wú)線通信系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。