如何提升射频功率放大器的效率-安泰维修 点击:94 | 回复:0



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发表于:2021-02-07 15:18:29
楼主

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。

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。

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,是由Henri Chireix 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。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)。

富士通宣布已经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100瓦;平均电效率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。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。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。

包络跟综

另一个放大器设计人员关注的重点技术是包络跟踪,这种技术中,施加到功率放大器的电压被连续地调整,以确保它工作在峰值区域,从而使功率最大。相对于典型功率放大器设计中DC-DC转换器提供的固定电压,包络跟踪电源以一个高带宽、低噪声波形调制连接到该放大器的电源,该波形则被同步到瞬时包络信号。

在CMOS RF功率器件中使用包络跟踪技术具备相当大的吸引力。Nujira多年来一直在开发这种技术。他们已经表明,该技术能够克服CMOS RF放大器应用中因非线性导致的缺点。CMOS功率放大器一直被诟病是目前高PAR调制技术的一个糟糕选择,因为它们固有的线性度较差,这就要求它们必须回退以减小失真。当CMOS放大器在较高的RF功率电平工作时,会出现削波和失真。

然而,Nujira在其专有的包络跟踪技术中结合了其专利ISOGAIN线性化技术来消除线性问题,而无需使用DPD。使用这种技术的设备达到了高效率目标,已经在其它方面实现了与GaAs同样的性能。所有研究CMOS放大器的一个巨大好处是,CMOS器件在整个电子行业中普遍存在,有很多代工厂家支撑,因此相对便宜。因为它基于硅,也可以在功率放大器芯片上直接集成控制和偏置电路。

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