關(guān)于采用功率放大器提高寬帶通信系統(tǒng)的效率

隨著調(diào)制方案的到來更復雜的是，峰均比或波峰因數(shù)惡化。對于來自商業(yè)環(huán)境的比較，與7 dB的3G UMTS和3 dB的GSM相比，LTE將峰值平均值取為10 dB。這又導致了電路級技術(shù)的發(fā)展，這些技術(shù)可以在不損失效率的情況下提供寬帶通信。

解決這個問題的一種方法是采用現(xiàn)代形式的功率放大器設(shè)計。 20世紀30年代威廉多爾蒂在貝爾實驗室。該電路并聯(lián)使用兩個放大器。一個是有效的，第二個放大器為調(diào)制峰值增加了額外的能量。由于主放大器可以在接近飽和點的“后退”條件下運行更長時間，因此整體效率會提高。次級放大器提供對信號的微調(diào)控制。

原則上，使用比2更多的放大器可以提高效率，但也會增加成本和復雜性。隨著通信技術(shù)進入更高水平的數(shù)字復雜性和頻譜效率，N路Doherty設(shè)計可能會變得更加普遍。

圖1：Doherty放大器架構(gòu)。雖然Doherty放大器的架構(gòu)優(yōu)雅且概念簡單，但設(shè)計細節(jié)可能會對性能產(chǎn)生很大差異。操作受輸入分頻器的耦合系數(shù)以及載波和峰值放大器級偏置的方式的影響。峰值放大器開啟的方式取決于輸入功率電平和柵極偏置電壓，這也決定了低輸出和峰值條件的功率效率。如何設(shè)置這些參數(shù)取決于要應(yīng)用的信號類型。例如，如果峰值放大器的柵極偏置電壓更負，則此放大器將打開，這將提高效率在退避條件下，但實際效率結(jié)果可能不適用于復雜的信號調(diào)制方案。

對于波峰因數(shù)超過10 dB的信號，來自Doherty放大器的98%以上的RF功率是由載波放大器。在不到2%的時間內(nèi)，不需要使用峰值放大器。

首先描述Doherty建議一年后，包絡(luò)跟蹤是另一種可以通過具有高波峰的復雜寬帶調(diào)制方案提高效率的方法

信封跟蹤使用數(shù)字控制器不斷調(diào)整功率放大器的電源電壓。這避免了放大器被提供過高電壓的情況，該電壓將導致過多的能量被簡單地作為熱量消散。由于電壓降低允許晶體管在更大比例的時間內(nèi)完全飽和，因此包絡(luò)跟蹤的效率提高往往會使放大器進一步工作在理想范圍內(nèi)。由于包絡(luò)跟蹤電路施加的電壓降低，其實際輸出降低。

圖2：包絡(luò)跟蹤調(diào)制電壓以符合實際調(diào)制方案所需的輸出幅度時間。結(jié)果Doherty和包絡(luò)跟蹤技術(shù)可以組合在一個電路中，以提供每個技術(shù)的優(yōu)點。通常，包絡(luò)跟蹤應(yīng)用于載波放大器，同時常規(guī)驅(qū)動峰值放大器以處理當提供給載波放大器的電壓達到其最大值時不能滿足的峰值。在效率方面存在折衷，因為分頻器/組合器中的損耗以及由于峰值放大器僅在非常短的時間段內(nèi)被驅(qū)動到飽和而導致高幅度信號的效率損失。然而，對于在非常高的波峰因數(shù)調(diào)制方案中常見的較低幅度信號，由于其在飽和區(qū)域中的長期操作，載波放大器的效率可以保持在高水平。

圖3：Doherty和包絡(luò)跟蹤Doherty與傳統(tǒng)功率放大器效率的比較。 (來源：Moon等，2010)

為了支持寬帶調(diào)制方案，功率晶體管和放大器本身也在不斷發(fā)展。硅鎵和砷化鎵正受到來自硅鍺和氮化鎵等技術(shù)的日益激烈的競爭。

GaN支持制造高電子遷移率晶體管(HEMT)結(jié)構(gòu)，以提供比硅器件更高的電子速度。高遷移率源于二維電子氣在組分材料之間的界面處形成的方式。這種氣體中的載流子比硅等材料更自由地移動。因此，GaN晶體管更適合用于高頻功率開關(guān)電路。

GaN的另一個優(yōu)勢是器件能夠在高溫條件下工作，這對硅器件來說很有挑戰(zhàn)性，適合于軍事應(yīng)用所需的極端環(huán)境。作為高功率，高頻晶體管的一個例子，Cree的CGH40006P是一種GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)。 CGH40006P采用28 V電源軌，為各種射頻和微波應(yīng)用提供通用的寬帶解決方案。 GaN HEMT提供高效率，高增益和寬帶寬能力，使CGH40006P成為線性和壓縮放大器電路的理想選擇，并且已經(jīng)證明了許多電路將該技術(shù)用于Doherty和包絡(luò)跟蹤Doherty應(yīng)用(1，2) 。該晶體管采用焊接式藥丸封裝?；贕aN的晶體管可在DC至6 GHz范圍內(nèi)工作，以滿足寬帶通信系統(tǒng)的需求。

RFMD的RF3931還采用GaN實現(xiàn)48 V 30 W高功率分立放大器，專為無線基礎(chǔ)設(shè)施而設(shè)計。通用寬帶放大器應(yīng)用。放大器的工藝技術(shù)可在單個放大器設(shè)計中在寬頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率和平坦增益RF3931本身是一種無與倫比的GaN晶體管，采用密封的法蘭陶瓷封裝，通過采用先進的散熱器和功耗技術(shù)提供出色的熱穩(wěn)定性。在封裝外部使用簡單匹配網(wǎng)絡(luò)允許在單個放大器中使用寬帶增益和功率性能。該晶體管可提供直流至3.5 GHz的輸出功率，可提供高達50 W的輸出功率。

M/A-Com設(shè)計的GaN基器件適用于適用于雷達系統(tǒng)的脈沖功率運行以及用于通信的連續(xù)波應(yīng)用。 MAGX系列包括MAGX-000035系列，一種30 MHz至3.5 GHz功率晶體管，可在碳化硅襯底上部署GaN，以提供額外的堅固性。這款無與倫比的器件采用耗盡型結(jié)構(gòu)，采用法蘭或無法蘭的陶瓷封裝，可提供出色的散熱性能。結(jié)合SiC襯底和GaN技術(shù)，這種器件非常適合高溫環(huán)境，結(jié)溫可達200°C。對于低功率發(fā)射器應(yīng)用，Avago Technologies的ATF-50189是一款高線性度，低噪聲增強型假晶HEMT，采用低成本表面貼裝SOT89封裝。增強模式操作允許簡單的單電源偏置，并且通過使用貼片電阻，允許偏置電流針對單元到單元的變化進行微調(diào)。通過在相同偏置點提供低噪聲和高輸出IP3的組合意味著該器件適用于接收器和發(fā)送器應(yīng)用，簡化了較小無線電系統(tǒng)的設(shè)計。其工作頻率范圍為400 MHz至3.9 GHz。

由于功率器件和電路架構(gòu)的進步，現(xiàn)在可以在高度加密的寬帶通信系統(tǒng)中實現(xiàn)高光譜和高能效。隨著GaN等工藝的改進和團隊對Doherty和包絡(luò)跟蹤方案的權(quán)衡有了更深入的了解，我們可以期待看到進一步的增強。