吳淘鎖　鄔海峰

摘 要：無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)功率放大器的性能及產(chǎn)品提出了更高的要求，所以，功率放大器的設(shè)計(jì)也需不斷滿足無(wú)線通信的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及不同應(yīng)用的需求。文章通過(guò)對(duì)射頻與微波功率放大器（RF/MW PA）的材料和工藝文獻(xiàn)的調(diào)研，總結(jié)了不同分類功率放大器的研究現(xiàn)狀，期希為未來(lái)的研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：RF/MW；PA；發(fā)展趨勢(shì)；文獻(xiàn)調(diào)研

中圖分類號(hào)：TN722 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）12-00-02

0 引 言

近年來(lái)無(wú)線通信系統(tǒng)經(jīng)歷了一場(chǎng)快速而又激烈的技術(shù)變革，因此導(dǎo)致其軟件到硬件都要變革。功率放大器（Power Amplifier，PA）作為重要的硬件模塊，其很多特性指標(biāo)如功率輸出、線性度、可靠性等對(duì)無(wú)線通信很重要，因此也在不斷變革。了解不同類型PA的設(shè)計(jì)背景、材料及工藝研究現(xiàn)狀，有利于實(shí)現(xiàn)PA設(shè)計(jì)時(shí)各指標(biāo)間的良好折中與優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)PA最佳性能與成本結(jié)構(gòu)的框架優(yōu)化，合理實(shí)現(xiàn)不同無(wú)線通信系統(tǒng)需求。而現(xiàn)有的文獻(xiàn)綜述往往通過(guò)個(gè)案介紹不同類型PA研究現(xiàn)狀，缺乏一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。為了彌補(bǔ)上述不足，本文通過(guò)文獻(xiàn)綜述方式，針對(duì)不同類型的晶體管對(duì)不同類型的功率放大器的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了研究。

1 RF/MW PA的研究概況

無(wú)線通信系統(tǒng)紛繁復(fù)雜，對(duì)于PA的設(shè)計(jì)要求也多種多樣，沒(méi)有哪一種PA能夠同時(shí)滿足所有系統(tǒng)的需求，因此就產(chǎn)生了很多不同類型的PA?，F(xiàn)有的PA按照工作原理的不同可以分為傳統(tǒng)PA和開(kāi)關(guān)PA，傳統(tǒng)PA（A、B、AB、C類）設(shè)計(jì)原理較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)思路接近，同時(shí)其A類和AB類PA具有較高的線性度，但是效率較低，相比之下，開(kāi)關(guān)類PA則具有較高的效率但是線性度較差。

在各種類型的PA中，傳統(tǒng)AB 類電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被認(rèn)為是效率和線性度折中的電路類型，但是功率壓縮等特性導(dǎo)致它在較高效率工作時(shí)，線性度惡化較嚴(yán)重。如現(xiàn)有商用GaN HEMT PA在滿足30 dB 的三階交調(diào)的C/I（Carriers to the Intermodulation）指標(biāo)時(shí)，僅有28%的效率[1]。在理想情況下，AB類PA僅有78.5%的效率，實(shí)際效率將低于此結(jié)果。

當(dāng)傳統(tǒng)AB類（或B）類PA的效率指標(biāo)無(wú)法滿足現(xiàn)有無(wú)線通信系統(tǒng)的需求時(shí)，開(kāi)關(guān)型PA（Switching Mode PA， SMPA）的研究則繼續(xù)推動(dòng)了高效率PA的發(fā)展，SMPA將有源晶體管驅(qū)動(dòng)為開(kāi)關(guān)模式，晶體管的工作狀態(tài)要么是開(kāi)，要么是關(guān)，其電壓和電流的時(shí)域波形不存在交疊現(xiàn)象，所以是直流功耗為零，理想的效率能達(dá)到100%。開(kāi)關(guān)模式工作狀態(tài)使放大器脫離線性區(qū)域，從而不能調(diào)制變包絡(luò)信號(hào)（像WCDMA、TDS-CDMA、QPSK 等信號(hào)），只能調(diào)制對(duì)線性度要求比較弱的恒包絡(luò)信號(hào)（FM、FSK、GMSK 等信號(hào)）。如圖1所示，高效、開(kāi)關(guān)PA可分為D、逆D、E、逆E、F、逆F、Continuous F 類、逆Continuous F 類、Continuous E類等。

D 類PA首次被提出是在1958年，它與推挽（Puch-Pull）B 類PA結(jié)構(gòu)很接近，與一般的線性AB類PA相比，D類PA具有體積小、功率高等特點(diǎn)；逆D類（Current Mode Class D， CMCD）PA在2001年問(wèn)世，在此之后，其工作頻率和效率指標(biāo)不斷提升，由于其輸出負(fù)載為RLC并聯(lián)電路，且諧振于固定工作頻率，致使它的效率同樣受晶體管寄生封裝的影響，如GaN CMCD PA目前實(shí)現(xiàn)了最高在2.14 GHz頻率的高效工作狀態(tài)，已實(shí)現(xiàn)的最高功率附加效率（Power Added Efficiency， PAE）為71.3%[3]；

E類PA是一種強(qiáng)開(kāi)關(guān)型、高效率的PA，1975年由Sokal提出[4]，其設(shè)計(jì)思路為通過(guò)對(duì)晶體管的電壓整形，減小開(kāi)關(guān)導(dǎo)通瞬間的損耗，但對(duì)開(kāi)關(guān)截至未做波形控制，一定程度上致使PA的效率降低，故E類PA需要高擊穿電壓的功率器件；逆E類PA于2005年被提出，從一定程度上降低了PA電路受功率器件寄生效應(yīng)的影響。

F類PA是一種由諧波控制的高效率PA，1958年由Tyler提出[5]，其設(shè)計(jì)目的是基于B類PA經(jīng)高次諧波峰化，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體管電壓、電流波形優(yōu)化，減小開(kāi)關(guān)的損耗，達(dá)到提高PA效率的目標(biāo)；為進(jìn)一步提高F類PA的效率，降低直流功率，逆F類PA于2000年問(wèn)世，高效率因素使得F類和逆F類PA變得非常流行。

J類PA是一種利用調(diào)整二次諧波、控制電壓與電流而獲得良好寬帶特性的PA，2006年由Cripps提出[6]；2010年，Carrubba首次提出Continuous F類PA[7]，通過(guò)改變輸出電路二次諧波阻抗相位響應(yīng)與優(yōu)化基波負(fù)載阻抗，實(shí)現(xiàn)寬帶特性下功率器件的輸出具有恒定功率、高效率特性；2012年，Mustafa首次提出Continuous E類PA的設(shè)計(jì)方法，使寬帶Continuous E類PA的進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)有了可能，但目前仍處于理論研究中[8]。

PA經(jīng)過(guò)從“A-J”類及其它交叉類型的發(fā)展，因無(wú)線通信系統(tǒng)的不同需求而具有各自不同的研究背景及特點(diǎn)。多種類型的PA設(shè)計(jì)技術(shù)的結(jié)合或交叉發(fā)展，將有利于提升PA電路的輸出功率、效率及線性度等指標(biāo)。

2 不同類型 RF/MW PA的工藝研究現(xiàn)狀

對(duì)晶體管工藝按照頻率和輸出功率進(jìn)行比較研究，可以根據(jù)其發(fā)展規(guī)律獲得不同時(shí)期多對(duì)應(yīng)的PA產(chǎn)生的原因及應(yīng)用特點(diǎn)。晶體管按照半導(dǎo)體材料主要分為CMOS、LDMOS、GaAs及 GaN HEMT等工藝。

2.1 晶體管工藝

CMOS工藝以Si材料為襯底，Si材料豐富、價(jià)格低廉，進(jìn)而容易實(shí)現(xiàn)單個(gè)CMOS上的單芯片系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低成本下的高度集成。LDMOS工藝具有高線性度、功耗低、工藝簡(jiǎn)單、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于大功率的系統(tǒng)中，但隨著系統(tǒng)工作頻率的升高，其寄生參數(shù)對(duì)性能的影響越來(lái)越大，導(dǎo)致晶體管只適合應(yīng)用于較低頻率的系統(tǒng)中（一般小于3 GHz）；GaAs pHEMT工藝具有低噪聲、高功率輸出、高效率及溫度穩(wěn)定的特點(diǎn)，GaAs HBT工藝適合高功率、高效率、高線性度的PA設(shè)計(jì)，因單電源供電，易簡(jiǎn)化實(shí)際電路與設(shè)計(jì)電路的實(shí)現(xiàn)難度；GaN HEMT在禁帶寬度、高頻噪聲小、介電常數(shù)大、高輸出功率、高頻率特性等電學(xué)特性方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

如圖2所示，通過(guò)對(duì)應(yīng)用廣泛的常見(jiàn)半導(dǎo)材料進(jìn)行頻率與輸出功率的比較，SiC與GaN因具有較高的擊穿電壓而獲得較高的功率密度，進(jìn)而可以輸出大功率；相比于其它半導(dǎo)體材料及工藝，在高頻頻段產(chǎn)生大輸出功率的只有GaN，因其具有高電子飽和遷移率，從而獲得大功率輸出密度，進(jìn)而提高工藝器件的開(kāi)關(guān)速度，以保證GaN HEMT工藝器件在高頻段領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

2.2 高效PA設(shè)計(jì)中功率晶體管的應(yīng)用趨勢(shì)

截止到2014年底，在過(guò)去的10年中，IEEE數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)于CMOS、LDMOS、GaAs pHEMT、GaAs HBT及GaN HEMT三代PA的研究文獻(xiàn)數(shù)目、發(fā)表年份的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1所列。統(tǒng)計(jì)論文包括會(huì)議論文、期刊和雜志論文，根據(jù)其綜合趨勢(shì)分析RF/MW PA的現(xiàn)狀如下：

通過(guò)對(duì)表1分析，可以發(fā)現(xiàn)，由于D類PA的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榈皖l段，且常用于音頻放大電路的設(shè)計(jì)，要求其成本較低，故采用CMOS和LDMOS工藝；由于E類PA對(duì)晶體管要求苛刻，要求器件必須擁有擊穿電壓高、輸出電容小及開(kāi)關(guān)性能出色的性能，通過(guò)表1可發(fā)現(xiàn)E類PA多采用CMOS與LDMOS工藝，原因?yàn)樵揈類PA在高于2 GHz時(shí)其晶體管寄生參數(shù)會(huì)惡化電路指標(biāo)，且漏極輸出電容會(huì)發(fā)生漏極電壓和電流畸變現(xiàn)象；F類PA具有較高的漏極效率，相對(duì)輸出功率最大，對(duì)晶體管的耐壓需求最低，即對(duì)工藝要求較低，根據(jù)不同應(yīng)用需求可采用不同的晶體管工藝，故可發(fā)現(xiàn)其研究文獻(xiàn)數(shù)目相對(duì)均勻。

J類PA屬于具有寬帶輸出的功率放大器，需要晶體管的輸出電容較低，故可以發(fā)現(xiàn)多采用GaN HEMT工藝；由于連續(xù)F類PA是基于J類PA產(chǎn)生，屬于新型PA，故其晶體管工藝研究情況與J類PA相似。

由此可見(jiàn)，不同類型的晶體管在不同類型的PA的設(shè)計(jì)中占有的比重不同，這可以間接說(shuō)明不同類型的晶體管適用的PA類型各有不同，因此可以指導(dǎo)PA設(shè)計(jì)者選用適合晶體管設(shè)計(jì)所需類型的電路。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，文章通過(guò)分析射頻與微波功率放大器的分類及其特性，研究晶體管的工藝現(xiàn)狀，將有利于新型PA的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。不同類型PA的工作機(jī)理不同，具有的特性和應(yīng)用領(lǐng)域也不同，進(jìn)一步提高PA的功率輸出、效率及線性度等指標(biāo)仍將是新一代PA研究的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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