射頻功率放大器效率提升的方法

　熱力學(xué)的基本規(guī)律揭示出沒有電子設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)100％的效率——雖然開關(guān)電源比較接近（達(dá)到98％）。但不幸的是任何產(chǎn)生RF功率的器件目前都無法 達(dá)到或者接近理想的性能，因?yàn)閷⒅绷鞴β兽D(zhuǎn)換為射頻功率過程中面臨太多的缺陷，包括整個(gè)信號路徑傳輸造成的損耗，轉(zhuǎn)到工作頻率時(shí)的損耗，以及該器件固有特 性損耗等。結(jié)果，MIT科技評論的一篇文章曾毫不客氣的這樣評價(jià)RF功率放大器，“它是一個(gè)非常低效的硬件?！?br /> 　　毫不奇怪的是，RF功率產(chǎn)品的每一環(huán)節(jié)廠家，從半導(dǎo)體到放大器再到發(fā)射器，以及大學(xué)和國防部，每年都花費(fèi)大量的時(shí)間和財(cái)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(xì)微提升，也可以延長電池驅(qū)動(dòng)類產(chǎn)品的工作時(shí)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。
　　
　　圖1：將基站電力消耗中的各種射頻相關(guān)部分加起來，最終結(jié)果值將相當(dāng)大。
　　幸運(yùn)的是，經(jīng)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(chuàng)新技術(shù)，比如包絡(luò)跟綜，數(shù)字預(yù)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(shè)計(jì)的一個(gè)重大轉(zhuǎn)變是5年內(nèi)就成為基站放大器標(biāo)準(zhǔn)的Doherty 架構(gòu)。自從貝爾實(shí)驗(yàn)室（隨后成為了西屋電氣的一部分）的Doherty 博士在1936年發(fā)明這種架構(gòu)后，它大部分時(shí)間處于沉寂狀態(tài)，只在幾個(gè)應(yīng)用中使用過。Doherty 的研究創(chuàng)造了一種新的放大器結(jié)構(gòu)，在輸入信號具備很高峰均比（PAR）時(shí)，還可以提供極高的功率附加效率。事實(shí)上，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，相較于標(biāo)準(zhǔn)并行AB類放 大器，Doherty 放大器的效率可提升11％到14％。
　　當(dāng)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(tǒng)中 使用調(diào)制方案的AM和FM便沒有。而目前，幾乎每一個(gè)無線系統(tǒng)都產(chǎn)生高PAR信號，從WCDMA到CDMA2000再到任何采用正交頻分復(fù)用的系統(tǒng) （OFDM），例如WiMAX，LTE和最近的香餑餑Wi-Fi。
　　
　　圖2：一個(gè)典型的Doherty放大器
　　經(jīng)典Doherty放大器（圖2），可以歸類于負(fù)載調(diào)制架構(gòu)，實(shí)際上由兩個(gè)放大器組成：一個(gè)載波放大器偏置在AB類模式下進(jìn)行操作，而峰值放大器偏置成C類 模式。一個(gè)功分器將輸入信號以90°相位差等分給每個(gè)放大器。放大后，信號通過功率耦合器被重新合成。兩個(gè)放大器在輸入信號處于峰值時(shí)會同時(shí)操作，每個(gè)都表現(xiàn)為一個(gè)負(fù)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(guān)閉，只有AB類載波放大器仍然工作。在較低的功率電平時(shí)，AB類載波放大器表現(xiàn)為經(jīng)調(diào)制的負(fù)載阻抗，以提升效率和增益。隨著該架構(gòu)重新煥發(fā)活力，Doherty放大器設(shè)計(jì)在快速的迭代中取得了重大進(jìn)展，也獲得了巨大成功。
　　當(dāng)然，沒有任何架構(gòu)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(gè)重要的電路，也已成為當(dāng)今通信環(huán)境中必不可少的選擇：模擬和數(shù)字線性化技術(shù)。該技術(shù)中使用最廣泛的是數(shù)字預(yù)失真（DPD），有時(shí)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(shè)計(jì)可以最大限度地降低線性損失。然而，它們沒有嚴(yán)格定義在Doherty放大器中使用，在其它放大器結(jié)構(gòu) 中使用效果也相當(dāng)明顯。