高效RF功率放大器面临的大功耗的问题

本文介绍了设计人员在设计高效RF功率放大器方面所面临的挑战。它简要描述了这些大功耗的原因，以及创建更高效和低功耗的RF功率放大器的方法。

毫不奇怪，每个射频功率产品制造商，从半导体到放大器再到发射机，再加上大学和国防部，每年都花费大量时间和金钱来提高发电效率。并有充分的理由：RF发电效率即使提高很小。并有充分的理由：效率的微小提高都会延长电池供电产品的运行时间，并降低无线基站的年度电费。图1显示了基站的RF部分对功耗的贡献程度。

将各种与射频相关的基站组件加起来对功耗的贡献有多大，结果是一个非常大的数目。资料来源：Globecom 2010，R。Grant和S. Fletcher。

幸运的是，这些努力正在产生的结果每年都在不断提高RF效率，其中一些在设备级别，而其他则通过使用诸如包络跟踪，数字预失真/波峰因数降低方案以及超越无处不在的更高级别放大器等技术来实现。 AB类。

Doherty体系结构是放大器设计的一个重大变化，该变化在5年内已成为基站放大器的标准。自从1936年贝尔实验室WH Doherty（当时为Western Electric的一部分）发明以来，它基本上处于休眠状态，仅在少数应用中使用。Doherty的研究产生了一种放大器架构，该放大器架构可通过输入信号提供非常高的功率附加效率。具有较高的峰均比（PAR）。实际上，与标准并行AB类放大器相比，经过适当设计，Doherty放大器的效率可提高11％至14％。

当然，在1936年及随后的许多年中，只有少数几种信号类型具有这些特性，因为在通信系统中采用的调制方案是AM和FM。如今，从WCDMA到CDMA2000以及任何采用正交频分复用（OFDM）的系统，几乎每个无线系统都会产生高PAR信号。

一个“经典” Doherty放大器。

属于负载调制架构类别的经典Doherty放大器（图2）实际上包括两个放大器：偏置为以AB类模式工作的载波放大器，以及偏置为以C类模式工作的峰值放大器。功率分配器将输入信号平均分配给每个放大器，相位差为90度。放大后，信号将通过功率组合器重新加入。两个放大器均在输入信号的峰值期间工作，并且均具有负载阻抗，可实现最大功率输出。

但是，随着输入信号功率的降低，C类峰值放大器将关闭，只有AB类载波可以工作。在这些较低的功率水平下，AB类载波放大器具有调制的负载阻抗，可实现更高的频率和增益。随着体系结构的不断更新，Doherty放大器设计的重大进步已迅速接success而来，从而取得了无与伦比的成功。

当然，没有架构是完美的，Doherty放大器的线性度和输出功率都比双AB类放大器小。这把我们带到了另一个对当今的通信环境也至关重要的重要电路：模拟和数字线性化技术，最广泛使用的是数字预失真（DPD），有时还结合了波峰因数降低（CFR）。DPD和CFR都可以大大降低Doherty的失真，精心设计的器件和放大器可以最大程度地减少线性度的降低。但是，由于其优点在其他放大器架构中也很明显，因此未严格将它们的使用定义为可在Doherty放大器中使用。

直截了当

现代数字调制技术要求放大器具有很高的线性度，否则将出现互调失真，从而降低信号质量。不幸的是，放大器在接近饱和电平时表现最佳，此后变为非线性，RF功率输出随输入功率的增加而降低，并且开始出现明显的失真。这种失真会导致对相邻信道或服务的干扰。结果，设计人员通常出于线性目的而将RF输出功率回退到“安全区”。当DPD和CFR一起使用时，可以获得更大的好处。

淘汰方法

富士通，恩智浦和其他公司正在使用另一种技术，该技术在近80年前由Henri Chireix再次开发并申请了专利，通常被称为“超相”（负载调制技术家族的成员），以提高放大器的效率。它结合了两个非线性RF功率放大器和两个由不同相位的信号驱动的放大器。对相位进行控制，以便在组合输出时，在使用B类RF功率放大器时可以获得效率方面的好处。谨慎的设计技术，电抗的特别适当选择，允许这样的系统进行优化，以一个特定的输出振幅，这可以通过两个因素（至少在理论上）导致效率的改进。

富士通去年宣布已在功率放大器中应用淘汰技术，它集成了紧凑，低损耗，功率合并电路和基于DSP的相位误差校正补偿电路，与过去相比，该技术可实现超过95％的传输时间传输。现有放大器通常可达到65％的比例。测试了该设计，并实现了峰值输出为100 W的功率放大器。平均电效率从50％提高到70％。

输入信号分为振幅和相位变化恒定的两个信号。为RF功率设备设置了幅度，功率合并电路重构了源信号的波形。先前，当重构源信号时，结合建立相位差所需的精度损失，阻止了该技术的商业应用。富士通使用的合路器具有较短的信号路径，可减少损耗并增加带宽。