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[经验] 一文看懂射频功率放大器(RF PA)

2019-6-11 09:56:19  635 射频 功率放大器
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基本概念
射频功率放大器(RF PA)是发射系统中的主要部分,其重要性不言而喻。在发射机的前级电路中,调制振荡电路所产生的射频信号功率很小,需要经过一系列的放大(缓冲级、中间放大级、末级功率放大级)获得足够的射频功率以后,才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率,必须采用射频功率放大器。在调制器产生射频信号后,射频已调信号就由RF PA将它放大到足够功率,经匹配网络,再由天线发射出去。
放大器的功能,即将输入的内容加以放大并输出。输入和输出的内容,我们称之为“信号”,往往表示为电压或功率。对于放大器这样一个“系统”来说,它的“贡献”就是将其所“吸收”的东西提升一定的水平,并向外界“输出”。如果放大器能够有好的性能,那么它就可以贡献更多,这才体现出它自身的“价值”。如果放大器存在着一定的问题,那么在开始工作或者工作了一段时间之后,不但不能再提供任何“贡献”,反而有可能出现一些不期然的“震荡”,这种“震荡”对于外界还是放大器自身,都是灾难性的。
射频功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率,如何提高输出功率和效率,是射频功率放大器设计目标的核心。通常在射频功率放大器中,可以用LC谐振回路选出基频或某次谐波,实现不失真放大。除此之外,输出中的谐波分量还应该尽可能地小,以避免对其他频道产生干扰。

分类
根据工作状态的不同,功率放大器分类如下:

传统线性功率放大器的工作频率很高,但相对频带较窄,射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器可以按照电流导通角的不同,分为甲(A)、乙(B)、丙(C)三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为360°,适用于小信号低功率放大,乙类放大器电流的导通角等于180°,丙类放大器电流的导通角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率工作状态,丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类,但丙类放大器的电流波形失真太大,只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力,回路电流与电压仍然接近于正弦波形,失真很小。
开关型功率放大器(Switching Mode PA,SMPA),使电子器件工作于开关状态,常见的有丁(D)类放大器和戊(E)类放大器,丁类放大器的效率高于丙类放大器。SMPA将有源晶体管驱动为开关模式,晶体管的工作状态要么是开,要么是关,其电压和电流的时域波形不存在交叠现象,所以是直流功耗为零,理想的效率能达到100%。
传统线性功率放大器具有较高的增益和线性度但效率低,而开关型功率放大器具有很高的效率和高输出功率,但线性度差。具体见下表:

电路组成
放大器有不同类型,简化之,放大器的电路可以由以下几个部分组成:晶体管、偏置及稳定电路、输入输出匹配电路。

1、晶体管
晶体管有很多种,包括当前还有多种结构的晶体管被发明出来。本质上,晶体管的工作都是表现为一个受控的电流源或电压源,其工作机制是将不含内容的直流的能量转化为“有用的”输出。直流能量乃是从外界获得,晶体管加以消耗,并转化成有用的成分。不同的晶体管不同的“能力”,比如其承受功率的能力有区别,这也是因为其能获取的直流能量的能力不同所致;比如其反应速度不同,这决定它能工作在多宽多高的频带上;比如其面向输入、输出端的阻抗不同,及对外的反应能力不同,这决定了给它匹配的难易程度。
2、偏置电路及稳定电路
偏置和稳定电路是两种不同的电路,但因为他们往往很难区分,且设计目标趋同,所以可以放在一起讨论。
晶体管的工作需要在一定的偏置条件下,我们称之为静态工作点。这是晶体管立足的根本,是它自身的“定位”。每个晶体管都给自己进行了一定的定位,其定位不同将决定了它自身的工作模式,在不同的定位上也存在着不同的性能表现。有些定位点上起伏较小,适合于小信号工作;有些定位点上起伏较大,适合于大功率输出;有些定位点上索取较少,释放纯粹,适合于低噪声工作;有些定位点,晶体管总是在饱和和截至之间徘徊,处于开关状态。一个恰当的偏置点,是正常工作的础。在设计宽带功率放大器时,或工作频率较高时,偏置电路对电路性能影响较大,此时应把偏置电路作为匹配电路的一部分考虑。
偏置网络有两大类型,无源网络和有源网络。无源网络(即自偏置网络)通常由电阻网络组成,为晶体管提供合适的工作电压和电流。它的主要缺陷是对晶体管的参数变化十分敏感,并且温度稳定性较差。有源偏置网络能改善静态工作点的稳定性,还能提高良好的温度稳定性,但它也存在一些问题,如增加了电路尺寸、增加了电路排版的难度以及增加了功率消耗。
稳定电路一定要在匹配电路之前,因为晶体管需要将稳定电路作为自身的一部分存在,再与外界接触。在外界看来,加上稳定电路的晶体管,是一个“全新的”晶体管。它做出一定的“牺牲”,获得了稳定性。稳定电路的机制能够保证晶体管顺利而稳定的运转。
3、输入输出匹配电路
匹配电路的目的是在选择一种接受的方式。对于那些想提供更大增益的晶体管来说,其途径是全盘的接受和输出。这意味着通过匹配电路这一个接口,不同的晶体管之间沟通更加顺畅,对于不同种的放大器类型来说,匹配电路并不是只有“全盘接受”一种设计方法。一些直流小、根基浅的小型管,更愿意在接受的时候做一定的阻挡,来获取更好的噪声性能,然而不能阻挡过了头,否则会影响其贡献。而对于一些巨型功率管,则需要在输出时谨小慎微,因为他们更不稳定,同时,一定的保留有助于他们发挥出更多的“不扭曲的”能量。
典型的阻抗匹配网络有L匹配、π形匹配和T形匹配。其中L匹配,其特点就是结构简单且只有两个自由度L和C。一旦确定了阻抗变换比率和谐振频率,网络的Q值(带宽)也就确定了。π形匹配网络的一个优点就是不管什么样的寄生电容,只要连接到它,都可以被吸到网络中,这也导致了π形匹配网络的普遍应用,因为在很多的实际情况中,占支配地位的寄生元件是电容。T形匹配,当电源端和负载端的寄生参数主要呈电感性质时,可用T形匹配来把这些寄生参数吸收入网络。
确保射频PA稳定的实现方式
每一个晶体管都是潜在不稳定的。好的稳定电路能够和晶体管融合在一起,形成一种“可持续工作”的模式。稳定电路的实现方式可划分为两种:窄带的和宽带的。
窄带的稳定电路是进行一定的增益消耗。这种稳定电路是通过增加一定的消耗电路和选择性电路实现的。这种电路使得晶体管只能在很小的一个频率范围内贡献。另外一种宽带的稳定是引入负反馈。这种电路可以在一个很宽的范围内工作。
不稳定的根源是正反馈,窄带稳定思路是遏制一部分正反馈,当然,这也同时抑制了贡献。而负反馈做得好,还有产生很多额外的令人欣喜的优点。比如,负反馈可能会使晶体管免于匹配,既不需要匹配就可以与外界很好的接洽了。另外,负反馈的引入会提升晶体管的线性性能。
射频PA的效率提升技术
晶体管的效率都有一个理论上的极限。这个极限随偏置点(静态工作点)的选择不同而不同。另外,外围电路设计得不好,也会大大降低其效率。目前工程师们对于效率提升的办法不多。这里仅讲两种:包络跟踪技术与Doherty技术。
包络跟踪技术的实质是:将输入分离为两种:相位和包络,再由不同的放大电路来分别放大。这样,两个放大器之间可以专注的负责其各自的部分,二者配合可以达到更高的效率利用的目标。
Doherty技术的实质是:采用两只同类的晶体管,在小输入时仅一个工作,且工作在高效状态。如果输入增大,则两个晶体管同时工作。这种方法实现的基础是二只晶体管要配合默契。一种晶体管的工作状态会直接的决定了另一支的工作效率。
射频PA面临的测试挑战
功率放大器是无线通信系统中非常重要的组件,但他们本身是非线性的,因而会导致频谱增生现象而干扰到邻近通道,而且可能违反法令强制规定的带外(out-of-band)放射标准。这个特性甚至会造成带内失真,使得通信系统的误码率(BER)增加、数据传输速率降低。
在峰值平均功率比(PAPR)下,新的OFDM传输格式会有更多偶发的峰值功率,使得PA不易被分割。这将降低频谱屏蔽相符性,并扩大整个波形的EVM及增加BER。为了解决这个问题,设计工程师通常会刻意降低PA的操作功率。很可惜的,这是非常没有效率的方法,因为PA降低10%的操作功率,会损失掉90%的DC功率。
现今大部分的RF PA皆支持多种模式、频率范围及调制模式,使得测试项目变得更多。数以千计的测试项目已不稀奇。波峰因子消减(CFR)、数字预失真(DPD)及包络跟踪(ET)等新技术的运用,有助于将PA效能及功率效率优化,但这些技术只会使得测试更加复杂,而且大幅延长设计及测试时间。增加RF PA的带宽,将导致DPD测量所需的带宽增加5倍(可能超过1 GHz),造成测试复杂性进一步升高。
依趋势来看,为了增加效率,RF PA组件及前端模块(FEM)将更紧密整合,而单一FEM则将支持更广泛的频段及调制模式。将包络跟踪电源供应器或调制器整合入FEM,可有效地减少移动设备内部的整体空间需求。为了支持更大的操作频率范围而大量增加滤波器/双工器插槽,会使得移动设备的复杂度和测试项目的数量节节攀升。
半导体材料的变迁:
Ge(锗)、Si(硅)→→→GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)→→→SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)、SiGe(锗化硅)、SOI(绝缘层上覆硅) →→→碳纳米管(CNT) →→→石墨烯(Graphene)。
目前功率放大器的主流工艺依然是GaAs工艺。另外,GaAs HBT,砷化镓异质结双极晶体管。其中HBT(heterojunction bipolar transistor,异质结双极晶体管)是一种由砷化镓(GaAs)层和铝镓砷(AlGaAs)层构成的双极晶体管。
CMOS工艺虽然已经比较成熟,但Si CMOS功率放大器的应用并不广泛。成本方面,CMOS工艺的硅晶圆虽然比较便宜,但CMOS功放版图面积比较大,再加上CMOS PA复杂的设计所投入的研发成本较高,使得CMOS功放整体的成本优势并不那么明显。性能方面,CMOS功率放大器在线性度,输出功率,效率等方面的性能较差,再加上CMOS工艺固有的缺点:膝点电压较高、击穿电压较低、CMOS工艺基片衬底的电阻率较低。
碳纳米管(CNT)由于具有物理尺寸小、电子迁移率高,电流密度大和本征电容低等特点,人们认为是纳米电子器件的理想材料。
零禁带半导体材料石墨烯,因为具有很高的电子迁移速率、纳米数量级的物理尺寸、优秀的电性能以及机械性能,必将成为下一代射频芯片的热门材料。
射频PA的线性化技术
射频功率放大器的非线性失真会使其产生新的频率分量,如对于二阶失真会产生二次谐波和双音拍频,对于三阶失真会产生三次谐波和多音拍频。这些新的频率分量如落在通带内,将会对发射的信号造成直接干扰,如果落在通带外将会干扰其他频道的信号。为此要对射频功率放大器的进行线性化处理,这样可以较好地解决信号的频谱再生问题。
射频功放基本线性化技术的原理与方法不外乎是以输入RF信号包络的振幅和相位作为参考,与输出信号比较,进而产生适当的校正。目前己经提出并得到广泛应用的功率放大器线性化技术包括,功率回退,负反馈,前馈,预失真,包络消除与恢复(EER),利用非线性元件进行线性放大(LINC) 。较复杂的线性化技术,如前馈,预失真,包络消除与恢复,使用非线性元件进行线性放大,它们对放大器线性度的改善效果比较好。而实现比较容易的线性化技术,比如功率回退,负反馈,这几个技术对线性度的改善就比较有限。

1、功率回退
这是最常用的方法,即选用功率较大的管子作小功率管使用,实际上是以牺牲直流功耗来提高功放的线性度。
功率回退法就是把功率放大器的输入功率从1dB压缩点(放大器有一个线性动态范围,在这个范围内,放大器的输出功率随输入功率线性增加。随着输入功率的继续增大,放大器渐渐进入饱和区,功率增益开始下降,通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点,用P1dB表示。)向后回退6-10个分贝,工作在远小于1dB压缩点的电平上,使功率放大器远离饱和区,进入线性工作区,从而改善功率放大器的三阶交调系数。一般情况,当基波功率降低1dB时,三阶交调失真改善2dB。
功率回退法简单且易实现,不需要增加任何附加设备,是改善放大器线性度行之有效的方法,缺点是效率大为降低。另外,当功率回退到一定程度,当三阶交调制达到-50dBc以下时,继续回退将不再改善放大器的线性度。因此,在线性度要求很高的场合,完全靠功率回退是不够的。
2、预失真
预失真就是在功率放大器前增加一个非线性电路用以补偿功率放大器的非线性失真。
预失真线性化技术,它的优点在于不存在稳定性问题,有更宽的信号频带,能够处理含多载波的信号。预失真技术成本较低,由几个仔细选取的元件封装成单一模块,连在信号源与功放之间,就构成预失真线性功放。手持移动台中的功放已采用了预失真技术,它仅用少量的元件就降低了互调产物几dB,但却是很关键的几dB。
预失真技术分为RF预失真和数字基带预失真两种基本类型。RF预失真一般采用模拟电路来实现,具有电路结构简单、成本低、易于高频、宽带应用等优点,缺点是频谱再生分量改善较少、高阶频谱分量抵消较困难。
数字基带预失真由于工作频率低,可以用数字电路实现,适应性强,而且可以通过增加采样频率和增大量化阶数的办法来抵消高阶互调失真,是一种很有发展前途的方法。这种预失真器由一个矢量增益调节器组成,根据查找表(LUT)的内容来控制输入信号的幅度和相位,预失真的大小由查找表的输入来控制。矢量增益调节器一旦被优化,将提供一个与功放相反的非线性特性。理想情况下,这时输出的互调产物应该与双音信号通过功放的输出幅度相等而相位相反,即自适应调节模块就是要调节查找表的输入,从而使输入信号与功放输出信号的差别最小。注意到输入信号的包络也是查找表的一个输入,反馈路径来取样功放的失真输出,然后经过A/D变换送入自适应调节DSP中,进而来更新查找表。
3、前馈
前馈技术起源于"反馈",应该说它并不是什么新技术,早在二三十年代就由美国贝尔实验室提出来的。除了校准(反馈)是加于输出之外,概念上完全是"反馈"。
前馈线性放大器通过耦合器、衰减器、合成器、延时线、功分器等组成两个环路。射频信号输入后,经功分器分成两路。一路进入主功率放大器,由于其非线性失真,输出端除了有需要放大的主频信号外,还有三阶交调干扰。从主功放的输出中耦合一部分信号,通过环路1抵消放大器的主载频信号,使其只剩下反相的三阶交调分量。三阶交调分量经辅助放大器放大后,通过环路2抵消主放大器非线性产生的交调分量,从而了改善功放的线性度。
前馈技术既提供了较高校准精度的优点,又没有不稳定和带宽受限的缺点。当然,这些优点是用高成本换来的,由于在输出校准,功率电平较大,校准信号需放大到较高的功率电平,这就需要额外的辅助放大器,而且要求这个辅助放大器本身的失真特性应处在前馈系统的指标之上。
前馈功放的抵消要求是很高的,需获得幅度、相位和时延的匹配,如果出现功率变化、温度变化及器件老化等均会造成抵消失灵。为此,在系统中考虑自适应抵消技术,使抵消能够跟得上内外环境的变化。

richthoffen 2019-7-7 15:28:19
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