提升射频功率放大器的效率

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热力学的基本定律表明,没有一种电子设备能达到100%的效率——尽管开关电源很近(高达98%)。遗憾的是,目前任何产生射频功率的器件都不能达到或接近理想的性能,因为在将直流功率转换为射频功率的过程中存在着太多的缺陷,包括整个信号通路的传输引起的损耗,转到工作频率时的损耗,以及设备固有特性的损失。因此,射频功率放大器是一个效率低的硬件。


毫不奇怪的是,RF功率产品的每一环节厂家,从半导体到放大器再到发射器,以及大学和国防部,每年都花费大量的时间和财力,以提升RF功率器件的效率。这么做有充足的理由:即使是效率的细微提升,也可以延长电池驱动类产品的工作时间,并降低无线基站每年的电力消耗。图1显示了RF部分占基站整体功耗的比例情况。

功率放大器

图1:将基站电力消耗中的各种射频相关部分加起来,最终结果值将相当大


幸运的是,经过连年不断努力提升RF效率,这些情况在逐渐改变。这些工作有一些是在器件级,有些则采用了一些创新技术,比如包络跟综,数字预失真/波峰因子降低方案,以及采用比常见AB类级别更高级的放大器。
放大器设计的一个重大转变是5年内就成为基站放大器标准的Doherty架构。自从贝尔实验室(随后成为了西屋电气的一部分)的Doherty博士在1936年发明这种架构后,它大部分时间处于沉寂状态,只在几个应用中使用过。Doherty的研究创造了一种新的放大器结构,在输入信号具备很高峰均比(PAR)时,还可以提供极高的功率附加效率。事实上,如果设计得当,相较于标准并行AB类放大器,Doherty放大器的效率可提升11%到14%。
当然,在1936年以后的许多年间,只有很少类信号具备这些特性,如通信系统中使用调制方案的AM和FM便没有。而目前,几乎每一个无线系统都产生高PAR信号,从WCDMA到CDMA2000再到任何采用正交频分复用的系统(OFDM),例如WiMAX,LTE和最近的香饽饽Wi-Fi。

功率放大器

 

图2:一个典型的Doherty放大器


经典Doherty放大器(图2),可以归类于负载调制架构,实际上由两个放大器组成:一个载波放大器偏置在AB类模式下进行操作,而峰值放大器偏置成C类模式。一个功分器将输入信号以90°相位差等分给每个放大器。放大后,信号通过功率耦合器被重新合成。两个放大器在输入信号处于峰值时会同时操作,每个都表现为一个负载阻抗,以最大化输出功率。
然而,随着输入信号功率的下降,C类峰值放大器被关闭,只有AB类载波放大器仍然工作。在较低的功率电平时,AB类载波放大器表现为经调制的负载阻抗,以提升效率和增益。随着该架构重新焕发活力,Doherty放大器设计在快速的迭代中取得了重大进展,也获得了巨大成功。


当然,没有任何架构是完美的。Doherty放大器的线性度和输出功率比双AB类放大器都稍差些。这给我们带来了另一个重要的电路,也已成为当今通信环境中必不可少的选择:模拟和数字线性化技术。该技术中使用最广泛的是数字预失真(DPD),有时与波峰因子降低(CFR)组合使用。DPD和CFR都可以大幅降低Doherty的失真,精心的器件和放大器设计可以最大限度地降低线性损失。然而,它们没有严格定义在Doherty放大器中使用,在其它放大器结构中使用效果也相当明显。


提升线性度
现代数字调制技术要求放大器的线性度足够高,否则会出现互调失真从而降低信号质量。不幸的是,放大器性能最佳时,它们都已接近饱和电平,随后,它们变得非线性化,RF功率输出随输入功率增加而下降,并且开始出现显著失真。这种失真会导致相邻信道或服务的串扰。结果,设计人员通常将RF输出功率回退到一个“安全区”,以确保线性度。当他们这样做时,多个RF晶体管是必需的,以达到给定的RF输出功率,这将增加电流消耗,并导致续航时间缩短,或在基站中会造成更高的运营成本。


DPD有效地在放大器的输入端引入了“反失真”,消除了放大器的非线性。其结果是,放大器不需要回退到最佳工作点,从而不需要更多的射频功率器件。由于放大器变得更加高效,带来的好处是散热成本的降低和所有重要电力消耗的减少。CFR工作时,通过减小输入信号的峰均比来持续检查失真情况,这种作法降低了信号的峰值,以使信号通过放大器时不致产生削波或失真。当DPD和CFR一起使用时,可以取得更大的增益。


异相功率放大器方法
另一个技术,是近80年前由HenriChireix发明并持有的专利技术,通常被称为“outphasing”(异相功率放大器,负载调制技术家族的一员),目前被用于提升放大器效率。它结合了两种非线性RF功率放大器,由不同相位的信号驱动两个放大器。因为对相位进行了控制,使得当输出信号耦合时,使用B类RF功率放大器可以实现效率增益。谨 慎的设计技术,特别是选择适当的电抗,可以将系统优化到一个特定的输出幅度,这将带来两倍的效率提升(至少理论上如此)。

输入信号被分成具有恒定幅度和相位变化的两个信号。振幅依RF功率器件设定,功率耦合电路重构源信号波形。先前,当源信号重构时,耦合精度损失需要确定相位差,阻止了该技术的商用。使用的耦合器具有更短的信号路径,降低了损耗并增大了带宽。

总结

如果充分描述了目前为提高射频功率效率的工作,可以写一本大书。这些内容不仅限于本文的研究范围,还包括不同类型放大器的使用及配套技术。这些技术的结合可以产生有意义的结果。无论取得多大进展,只要对更高数据速率的需求仍然存在,对更高效率的探索就一定会继续。

 

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