关于提升射频功率放大器效率的探讨
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发布者：lunwenchina
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时间：2018年8月06日 09:30
摘要：当前，人们生活离不开手机通信、互联网等现代科学技术，现代社会也正日趋走向智能时代快速发展，而智能时代离不开无线通信技术，功率放大器作为无线通信系统中射频前端重要的核心模块之一，其对通信系统的整体性能有着至关重要的影响，因而得到了人们广泛的重视和研究。如何提升射频功率放大器的效率，一直是科研工作者关注研究的一门课题，搞清楚功率放大器的电路基础，提升放大器的线性度，了解功率放大器的相关技术等才是推进射频放大器的功率的关键所在。
关键词：射频；功率放大器；电子设备
中图分类号：TN722.75 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0278-02射频放大器可以将低功率射频信号转化为较高功率的信号。射频放大器通常用于放大天线的传输功率。射频放大器通常用于驱动天线的传动功率。现在一些厂家生产的射频放大器的应用范围也很广泛。但射频放大器性能的提升主要提升晶体管的性能和改进放大器本身电路形式。
1 射频功率放大器的应用现状
射频功率放大器是发送设备的重要组成部分。射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率，这是研究射频功率放大器的关键。热力学的基本规律揭示出没有电子设备可以实现 100％的效率——虽然开关电源可以达到 98％，相对来说比较接近。但是，迄今任何产生 RF 功率的器件目前都无法达到或者接近理想的性能，因为将直流功率转换为射频功率过程中面临太多的缺陷，包括整个信号路径传输造成的损耗，转到工作频率时的损耗，以及该器件固有特性损耗等。事实上，RF 功率放大器是一个非常低效的硬件。
然而，RF功率产品从半导体到放大器再到发射器，我国生产厂家和科研单位每年都花费大量的人力、财力和投入很多时间，以提升 RF 功率器件的效率，其目的就是提升放大器效率，从而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能消耗。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。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％。
经典Doherty放大器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 放大器设计在快速发展中取得了很多技术升级。只是其线性度和输出功率比双 AB 类放大器都稍差些。对此，当今通信环境中比较常见的选择：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。可是，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。
2 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。不足之处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，在这种 情况下，多个 RF 晶体管必不可少，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。
3 异相功率放大器方法
此外，是 80 年前由 Henri Chireix 发明的“outphasing”（异相功率放大器，负载调制技术家族的一员），目前被富士通、恩智浦等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。如果设计得当，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。富士通在某个功率放大器中采用了 outphasing 方法，集成紧凑、低损耗的功率耦合电路，并带有一个基于DSP的相位误差校正补偿电路，相比现有放大器普遍的 65%传输时间，该放大器传输时间可以超过 95％。对该设计进行测试，这种功率放大器的峰值输出可以达到 100W；平均电效率从 50％提高到 70％。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。之前，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。富士通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。
4 射频功率放大器的设计个案分析
以锐迪科微电子有限公司生产的RDA6218 为例，这种射频功率采用较为新颖的放大器电路结构，使用一个射频功率放大器实现GSM/DCS双频段功率放大功能，射频功率放大器管芯由原来的两个减少为一个单芯片放大器电路，同时此结构射频功率放大器及输出匹配网络与 CMOS 控制器、射频开关集成至一个芯片模块，组成 GSM/DCS 双频段射频前端模块。其中射频开关采用高隔离开关设计，使得谐波满足通信系统要求。该设计中的射频功率放大器电路采用三级放大的电路形式。如图 1 所示，将射频功率放大器电路的第一级分成两个独立的输入端，分别对应于 GSM 和 DCS 功率放大频段。然后共用第二级和第三级放大电路。在输出端实现了可以同时应用于 GSM、DCS 频段的输出匹配网络。由于第二级和第三级为 GSM 和 DCS 两个频段共用的电路放大级，因此在设计此两级电路时需要同时兼顾 GSM 和 DCS 两个频段的要求。
该电路中第三级设计为功率放大级，在通常电池电压供电的情况下，为使 GSM 频段和 DCS 频段功率输出分别达到35dBm（＄57.1433）和 33dBm，因此 GSM 频段和 DCS 频段的功率输出阻抗分别设计为 2 和 3 。由于 GSM 频段输出功率大于 DCS 频段输出功率，因此设计第三级功率管 Q3 最大输出功率达 35dBm。该电路中第二级为功率驱动级，因为需要同时覆盖 GSM 和 DCS 两个频段，频率范围很宽，因此设计第二级放大电路采用负反馈结构，将工作频率从GSM频段拓宽至 DCS 频段。同时，第二、三级级间匹配网络也设计为宽带匹配网络。该设计电路中，第二级和第三级的总体增益设计为 25dB，频率范围覆盖GSM和DCS频段。由于高频段（DCS）的增益在第二和第三级时略低，因此设计第一级放大电路时，DCS 频段第一级增益比 GSM 频段第一级高约 3dB。同时，在DCS 频段射频输入端加入滤波网络，此滤波网络对GSM频段信号起到带阻作用，同时对DCS频段信号起到带通作用，加入此滤波网络可有效地提高交叉隔离度。该设计的 GSM/DCS双频段射频前端模块中，GSM/DCS 双频段射频功率放大器管芯的输出端分别与 GSM 输出匹配网络和 DCS 输出匹配网络连接至同一节点。而DCS工作频段范围为1710MHz~1910MHz，覆盖了 GSM 频段（880MHz~915MHz）的二次谐波频率范围（1760MHz~1830MHz）。因此当 GSM 频段发射选通时，GSM频段射频信号的二次谐波可通过共同节点泄漏至DCS输出匹配网络，从而传输至天线。
图 1 双频段功率放大器电路原理图
虽然 GSM 频段发射选通时，射频开关 DCS 端为关闭状态，但由于普通射频开关处于关闭状态时，隔离度只有 20dB左右。因此，当 GSM 频段二次谐波信号较强时，仍有一定功率的射频信号通过射频开关 DCS 端耦合至天线，使得 GSM频段发射时，天线端输出的 GSM 频段二次谐波信号较高，超出系统指标要求。为了满足通信系统要求谐波分量在-30dBm以下的要求，射频开关的DCS端设计为高隔离结构，当射频开关 GSM端选通时，DCS端至天线端的隔离度高达 80dB，使得GSM 频段信号的二次谐波无法通过射频开关 DCS 端传输至天线，从而极大地降低了两个频段之间的射频干扰。
5 结语
当前，提升射频放大器的研究仍旧在继续，只是有些科研单位不仅仅注重射频放大器的功率上，而且也在提升其产品的配套技术性能上，而追求更高功率的放大器研究，相信随着科学技术的不断飞跃，该技术也一定会有更大突破。
参考文献：
[1] 杨国瑞.高效率 Doherty 功率放大器设计[D].成都:西南交通大学,2011
[2] 黄智伟. 射频功率放大器电路设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2009
[3] 黄玉兰.射频电路理论与设计(第 2 版)[M].北京:人民邮电出版社,2014
作者简介：戴庚章（1973-），男，江苏江都人，讲师，主要从事电工与电子专业的教学和研究工作。
