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如何提升射頻功率放大器的效率?
來源:    發布時間: 2015-05-26 17:10   1385 次瀏覽   大小:  16px  14px  12px

熱力學的基本規律揭示出沒有電子設備可以實現100%的效率——雖然開關電源比較接近(達到98%)。但不幸的是任何產生RF功率的器件目前都無法達到或者接近理想的性能,因為將直流功率轉換為射頻功率過程中面臨太多的缺陷,包括整個信號路徑傳輸造成的損耗,轉到工作頻率時的損耗,以及該器件固有特性損耗等。結果,MIT科技評論的一篇文章曾毫不客氣的這樣評價RF功率放大器,“它是一個非常低效的硬件?!?

毫不奇怪的是,RF功率產品的每一環節廠家,從半導體到放大器再到發射器,以及大學和國防部,每年都花費大量的時間和財力,以提升RF功率器件的效率。這么做有充足的理由:即使是效率的細微提升,也可以延長電池驅動類產品的工作時間,并降低無線基站每年的電力消耗。圖1顯示了RF部分占基站整體功耗的比例情況。

將基站電力消耗中的各種射頻相關部分加起來,最終結果值將相當大

圖1:將基站電力消耗中的各種射頻相關部分加起來,最終結果值將相當大。資料來源:Globecom 2010,R. Grant and S. Fletcher.。

幸運的是,經過連年不斷努力提升RF效率,這些情況在逐漸改變。這些工作有一些是在器件級,有些則采用了一些創新技術,比如包絡跟綜,數字預失真/波峰因子降低方案,以及采用比常見AB類級別更高級的放大器。

放大器設計的一個重大轉變是5年內就成為基站放大器標準的Doherty 架構。自從貝爾實驗室(隨后成為了西屋電氣的一部分)的Doherty 博士在1936年發明這種架構后,它大部分時間處于沉寂狀態,只在幾個應用中使用過。Doherty 的研究創造了一種新的放大器結構,在輸入信號具備很高峰均比(PAR)時,還可以提供極高的功率附加效率。事實上,如果設計得當,相較于標準并行AB類放大器,Doherty 放大器的效率可提升11%到14%。

當然,在1936年以后的許多年間,只有很少類信號具備這些特性,如通信系統中使用調制方案的AM和FM便沒有。而目前,幾乎每一個無線系統都產生高PAR信號,從WCDMA到CDMA2000再到任何采用正交頻分復用的系統(OFDM),例如WiMAX,LTE和最近的香餑餑Wi-Fi。

一個典型的Doherty放大器

圖2:一個典型的Doherty放大器

經典Doherty放大器(圖2),可以歸類于負載調制架構,實際上由兩個放大器組成:一個載波放大器偏置在AB類模式下進行操作,而峰值放大器偏置成C類模式。一個功分器將輸入信號以90°相位差等分給每個放大器。放大后,信號通過功率耦合器被重新合成。兩個放大器在輸入信號處于峰值時會同時操作,每個都表現為一個負載阻抗,以最大化輸出功率。

然而,隨著輸入信號功率的下降,C類峰值放大器被關閉,只有AB類載波放大器仍然工作。在較低的功率電平時,AB類載波放大器表現為經調制的負載阻抗,以提升效率和增益。隨著該架構重新煥發活力,Doherty放大器設計在快速的迭代中取得了重大進展,也獲得了巨大成功。

當然,沒有任何架構是完美的。Doherty放大器的線性度和輸出功率比雙AB類放大器都稍差些。這給我們帶來了另一個重要的電路,也已成為當今通信環境中必不可少的選擇:模擬和數字線性化技術。該技術中使用最廣泛的是數字預失真(DPD),有時與波峰因子降低(CFR)組合使用。DPD和CFR都可以大幅降低Doherty的失真,精心的器件和放大器設計可以最大限度地降低線性損失。然而,它們沒有嚴格定義在Doherty放大器中使用,在其它放大器結構中使用效果也相當明顯。

提升線性度

現代數字調制技術要求放大器的線性度足夠高,否則會出現互調失真從而降低信號質量。不幸的是,放大器性能最佳時,它們都已接近飽和電平,隨后,它們變得非線性化,RF功率輸出隨輸入功率增加而下降,并且開始出現顯著失真。這種失真會導致相鄰信道或服務的串擾。結果,設計人員通常將RF輸出功率回退到一個“安全區”,以確保線性度。當他們這樣做時,多個RF晶體管是必需的,以達到給定的RF輸出功率,這將增加電流消耗,并導致續航時間縮短,或在基站中會造成更高的運營成本。

DPD有效地在放大器的輸入端引入了“反失真”,消除了放大器的非線性。其結果是,放大器不需要回退到最佳工作點,從而不需要更多的射頻功率器件。由于放大器變得更加高效,帶來的好處是散熱成本的降低和所有重要電力消耗的減少。CFR工作時,通過減小輸入信號的峰均比來持續檢查失真情況,這種作法降低了信號的峰值,以使信號通過放大器時不致產生削波或失真。當DPD和CFR一起使用時,可以取得更大的增益。

異相功率放大器方法

另一個技術,是近80年前由Henri Chireix 發明并持有的專利技術,通常被稱為“outphasing”(異相功率放大器,負載調制技術家族的一員),目前被富士通、恩智浦等用于提升放大器效率。它結合了兩種非線性RF功率放大器,由不同相位的信號驅動兩個放大器。因為對相位進行了控制,使得當輸出信號耦合時,使用B類RF功率放大器可以實現效率增益。謹慎的設計技術,特別是選擇適當的電抗,可以將系統優化到一個特定的輸出幅度,這將帶來兩倍的效率提升(至少理論上如此)。

富士通去年宣布其已經在某個功率放大器中采用了outphasing方法,集成緊湊、低損耗的功率耦合電路,并帶有一個基于DSP的相位誤差校正補償電路,相比現有放大器普遍的65%傳輸時間,該放大器傳輸時間可以超過95%。對該設計進行測試,這種功率放大器的峰值輸出可以達到100瓦;平均電效率從50%提高到70%。

輸入信號被分成具有恒定幅度和相位變化的兩個信號。振幅依RF功率器件設定,功率耦合電路重構源信號波形。先前,當源信號重構時,耦合精度損失需要確定相位差,阻止了該技術的商用。富士通使用的耦合器具有更短的信號路徑,降低了損耗并增大了帶寬。

恩智浦極具前景的開發

Outphasing機制沒有負載調制效果的一個變體被稱為非線性概念的線性放大(LINC),采用一個分離耦合器和放大級驅動到飽和,并能有效地提高線性度和峰值效率。但LINC放大器效率相對較低,因為每個放大器工作在一個恒定功率上,即使低RF輸出電平時也如此。Chireix修正了這一點,通過結合outphasing和一個非分離耦合器和負載調制,從而提升了平均效率。恩智浦半導體公司做了進一步提升,用outphasing控制兩個開關模式的RF放大器,使它們適應高波峰因子信號。該公司正在將Chireixoutphasing技術與GaN HEMT開關式E類放大器結合起來(圖3)。

簡化后的Chireix 異相功率放大器結構框圖

圖3:簡化后的Chireix 異相功率放大器結構框圖。來源:恩智浦

恩智浦開發并獲得專利的新驅動器技術通過控制相位關系,使放大器在約25%的帶寬上達到高效率。這引發了一種新架構,通過結合E類放大器和負載調制以在退出飽和時保持放大器的高效率,這使得它們能夠適應各種復雜波形。恩智浦為基于GaN器件的E級RF功率放大器提供了參考設計,并附帶了Chireix相關的技術資料。

包絡跟綜

另一個放大器設計人員關注的重點技術是包絡跟蹤,這種技術中,施加到功率放大器的電壓被連續地調整,以確保它工作在峰值區域,從而使功率最大。相對于典型功率放大器設計中DC-DC轉換器提供的固定電壓,包絡跟蹤電源以一個高帶寬、低噪聲波形調制連接到該放大器的電源,該波形則被同步到瞬時包絡信號。

在CMOS RF功率器件中使用包絡跟蹤技術具備相當大的吸引力。Nujira多年來一直在開發這種技術。他們已經表明,該技術能夠克服CMOS RF放大器應用中因非線性導致的缺點。CMOS功率放大器一直被詬病是目前高PAR調制技術的一個糟糕選擇,因為它們固有的線性度較差,這就要求它們必須回退以減小失真。當CMOS放大器在較高的RF功率電平工作時,會出現削波和失真。

然而,Nujira在其專有的包絡跟蹤技術中結合了其專利ISOGAIN線性化技術來消除線性問題,而無需使用DPD。使用這種技術的設備達到了高效率目標,已經在其它方面實現了與GaAs同樣的性能。所有研究CMOS放大器的一個巨大好處是,CMOS器件在整個電子行業中普遍存在,有很多代工廠家支撐,因此相對便宜。因為它基于硅,也可以在功率放大器芯片上直接集成控制和偏置電路。

其他完全不同的方法

另一個放大器技術由Eta Devices倡導,這是從美國麻省理工學院剝離出來的公司,由兩位電氣工程教授Joel Dawson 和David Perreault以及愛立信和華為的一位前功放研究員共同創建。其不對稱多級Outphasing(AMO)技術由MIT開發,該公司是由ADI公司聯合創始人Ray Stata和他的風險投資公司Stata Venture Partners聯合投資。

該公司的首要目標是新興市場,包括燃料方面每年耗資150億美元的多達64萬臺的柴油發電機功率基站,其次是智能手機市場。今年二月,Eta Devices在西班牙巴塞羅那舉辦的移動通信世界大會先進LTE部分上展示了其Eta5設備,該設備的發射信道超過80-MHz。

Eta Devices大膽宣稱,它的ETAdvanced(高級包絡跟蹤)技術,預計可減少50%的基站能源成本。還宣稱,它可以將智能手機電池續航時間提升一倍。前提是,所述放大器的RF功率晶體管在待機模式和發射模式時同時消耗功耗,而提升效率的唯一途徑是將待機功率降低到最低可能水平。

在低功耗待機模式和高功率輸出之間進行轉換,會導致失真現象,現有的系統為持續檢測這一狀況,需要維持高待機功率水平,帶來的代價是高功耗。Eta Devices的做法是,通過每秒高達2000萬次的采樣,選擇出晶體管兩端消耗最低功耗的電壓。

另一個問題是,該公司解釋說LTE Advanced 以及100 MHz帶寬要求將會為RF功率放大器帶來巨大需求。僅僅通過包絡跟蹤無法適應這種情況,因為它不能支持比40Mhz更寬的信道。據該公司的說法,ETAdvanced支持高達160 MHz的信道,因此它可以同時滿足高級LTE和802.11ac標準的Wi-Fi。使用其技術的基站可以非常小,該公司聲稱,它已經開發出首個平均效率大于70%的LTE發射機。

總結

如果完全描述目前為提升RF功率效率所做的工作,可以寫一大本書。這些內容不僅局限于本文所討論的范圍,也包括不同類放大器的使用以及配套技術,這些技術的結合可以產生有意義的結果。不管取得的進步有多大,可以肯定的是,只要更高數據速率需求依然存在,對更高效率的探索也必將繼續下去。

作者:Barry Manz, Mouser Electronics

作者簡介

Barry Manz 是Manz Communications(曼茲通信公司)的總裁

Barry Manz 是Manz Communications(曼茲通信公司)的總裁,他曾與100多家公司在射頻、微波、國防、測試和測量、半導體、嵌入式系統、光及其它市場進行過合作。他是電子防御期刊、軍用微波文摘的編輯,是微波和射頻雜志的主編。

出處:貿澤電子公共號


 
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