如何提升射频功率放大器的效率

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——虽然开关电源比较接近（达到98％）。但不幸的是任何产生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。结果，MIT科技评论的一篇文章曾毫不客气的这样评价RF功率放大器，“它是一个非常低效的硬件。”

　　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。

　　

　　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。

　　

　　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）。

　　富士通去年 宣布其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。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。

　　总结

　　如果完全描述目前为提升RF功率效率所做的工作，可以写一大本书。这些内容不仅局限于本文所讨论的范围，也包括不同类放大器的使用以及配套技术，这些技术的结合可以产生有意义的结果。不管取得的进步有多大，可以 肯定的是，只要更高数据速率需求依然存在，对更高效率的探索也必将继续下去。