劉潔儀，魏啟迪，章國豪

(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

射頻功率放大器在5G中的研究進(jìn)展*

劉潔儀，魏啟迪，章國豪

(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

射頻功率放大器是射頻前端的關(guān)鍵模塊, 而5G高頻段采用毫米波功放是主要發(fā)展趨勢。5G面對移動互聯(lián)網(wǎng)等多種業(yè)務(wù)的激增，對射頻功率放大器的性能及工作環(huán)境提出了更加苛刻的要求。因此，對射頻功率放大器在毫米波下的研究與了解有著重要的應(yīng)用意義。文中重點(diǎn)介紹了Doherty技術(shù)和線性度優(yōu)化技術(shù)，并闡述了射頻功率放大器在5G中的應(yīng)用趨勢。

功率放大器；毫米波；線性度；第五代移動通信

0 引言

射頻集成電路產(chǎn)業(yè)作為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，在維護(hù)國家安全和提升市場經(jīng)濟(jì)等方面發(fā)揮著重大的作用。一方面各國商業(yè)和戰(zhàn)略主權(quán)方面的競爭給當(dāng)前集成電路產(chǎn)業(yè)制造了一個競爭非常激烈的國際環(huán)境[1-2]，另一方面當(dāng)今世界越發(fā)朝著知識經(jīng)濟(jì)成一體系、信息共享加快和網(wǎng)絡(luò)越發(fā)便捷的方向發(fā)展，集成電路產(chǎn)業(yè)在這些進(jìn)程中扮演著核心的角色。而功率放大器(Power Amplifier, PA)作為集成電路產(chǎn)業(yè)中不可或缺的一部分，一方面體現(xiàn)在它是射頻模組前端必不可少的模塊，連接射頻天線和收發(fā)芯片(transceiver)，另一方面是它的性能決定著移動通信系統(tǒng)的性能，包括移動通信終端支持的通信模式、天線接收信號的強(qiáng)弱等。因此PA效率和線性度的提升決定著整個射頻系統(tǒng)的性能水平的提升，以及對適應(yīng)5G發(fā)展、提高用戶終端體驗等都有十分重大的意義[3-6]。

LTE(Long Term Evolution)技術(shù)雖然可以提供較高的下載速度并支持高吞吐量應(yīng)用，但由于雙工器和濾波器的面積限制，目前尚無手持設(shè)備可以兼容所有聚合頻帶(Aggregation band)。另外，由于LTE與WiFi技術(shù)的不兼容，使得物聯(lián)網(wǎng)的短距離傳輸更多的是采用WiFi、藍(lán)牙或ZigBee等。LTE不能適應(yīng)當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)興起的發(fā)展，所以研究新一代移動通信系統(tǒng)第五代移動通信(以下簡稱5G)的需要日益強(qiáng)烈。5G在克服上述LTE缺點(diǎn)的同時，對移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、時延的減少以及物聯(lián)網(wǎng)多樣化的業(yè)務(wù)需求等提出了挑戰(zhàn)[7-16]。相對于4G采用的網(wǎng)絡(luò)扁平化架構(gòu)，5G將采用新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)—C-RNA架構(gòu)。該架構(gòu)采用分布式遠(yuǎn)程射頻單元(RRU)和集中式基帶單元(BBU)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)傳輸/接收技術(shù)，光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)把無線信號傳送到偏遠(yuǎn)的地方，覆蓋上百個基站，這要求射頻模組前端的PA對于在長距離下傳送的信號，也能保持高效率和線性度。目前，4G所用頻譜資源是十分緊缺的，而且各類通信設(shè)備所占用的頻譜帶寬也是十分擁擠的，根據(jù)無線通信傳輸?shù)淖畲笮盘柕膸捙c載波頻率成正相關(guān)的原理，5G若采用毫米波頻段能改善目前4G頻譜資源相對緊缺的現(xiàn)狀，而且頻譜帶寬將輕松比4G寬10倍以上，甚至可到20倍。小天線、緊湊和輕設(shè)備是毫米波的另外幾個優(yōu)點(diǎn)，包括基站的天線尺寸將越來越小，甚至做到毫米量級，未來可以把基站設(shè)置在各種不起眼的角落。因此，毫米波段是未來5G的應(yīng)用趨勢[17]。另外5G通信要求單位時間內(nèi)吞吐率更高、能耗更低、電池壽命更長，特別是在毫米波頻段(毫米波)可以通過空間分集達(dá)到更高的容量和更低的延遲，因此提高超寬帶毫米波PA的效率、線性度等性能迫在眉睫 。

理論方面，晶體管(transistor)作為射頻放大器的核心器件，它通過用小信號來控制直流電源，產(chǎn)生隨之變化的高功率信號，從而實(shí)現(xiàn)將電源的直流功率(direct-current power)轉(zhuǎn)換成為滿足輻射要求的功率信號。工程應(yīng)用方面，提升PA性能的方法大多依賴工藝[18-19]，價格比較昂貴。砷化鎵(GaAs)半導(dǎo)體工藝和氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體工藝是目前制作PA的所用的主要半導(dǎo)體材料，在射頻前端芯片市場中占據(jù)著重要的市場份額。其中GaN作為第三類半導(dǎo)體材料的代表，在提高性能方面可采用文獻(xiàn)[20]所述的Tsu-Esaki模型加轉(zhuǎn)移矩陣和背向連接的二極管模型。該模型主要研究了AlN/GaN HEMT的正向柵電流，探尋了正向柵極的電流特性，其次Vg的主要勢壘在AlN和GaN的接觸面區(qū)域會有所提高。采用這種方法便于電路設(shè)計人員以漏電柵極電流模擬RF性能。另外結(jié)合GaN在電子遷移率、工作效率、耐壓能力等方面的優(yōu)勢，GaN工藝將繼續(xù)保持在制作手機(jī)等移動通信設(shè)備芯片中PA首選材料的優(yōu)勢，將在5G發(fā)展中進(jìn)一步展示其優(yōu)越的性能。

1 Doherty技術(shù)的研究進(jìn)展

5G要求之一是為用戶提供更高的數(shù)據(jù)傳輸體驗服務(wù)，這就需要提高系統(tǒng)的頻譜利用效率來達(dá)到這一指標(biāo)。提高效率的傳統(tǒng)方法有Doherty技術(shù)、EER(Envelope Elimination and Restoration)和ET(Envelope Tracking)等技術(shù)。其中EER技術(shù)由于自身存在非線性的問題，在進(jìn)行幅度和相位的調(diào)制時，會造成調(diào)制路徑的延時[21-22]，而5G通信要求系統(tǒng)的延時盡可能地低，這顯然不利于信號的傳播。近期已有相關(guān)的毫米波ET放大器報道[23]，但是該方法依賴于高性能的電源轉(zhuǎn)換器，難以為5G感興趣的帶寬提供高效率的動態(tài)電源，而且5G對于包絡(luò)與射頻信號同步的相關(guān)聯(lián)的定時要求是嚴(yán)格的。但是ET具有當(dāng)動態(tài)供電帶寬低于射頻信號的帶寬時，仍可以提高射頻放大器的效率這一優(yōu)勢，因此ET技術(shù)值得進(jìn)一步研究與改善。相比之下，目前的Doherty技術(shù)發(fā)展是十分迅速的，它的優(yōu)勢是既能在保持線性度的同時，又能通過對峰值功率(peak power)和平均功率(average power)的控制作用，使PA維持高效率的信號傳輸，即便是在功率變化波動范圍很大的情況下。這一優(yōu)勢奠定了Doherty技術(shù)將成為5G基站發(fā)展中射頻模組前端PA的首選。

Doherty的基本原理可通過分析經(jīng)典的雙級Doherty PA(如圖1所示)：它由主PA(通常在AB類或B類偏置)、輔助PA(偏置在C類)、λ/4傳輸線和負(fù)載構(gòu)成，其中λ/4傳輸線把主PA和輔助PA分隔開來。當(dāng)DPA(Doherty PA)工作在低效率狀態(tài)下，由于它的集電極C的偏置作用，輔助電源Vcc會關(guān)閉。當(dāng)主PA工作在負(fù)載上，最大負(fù)載為最大輸出功率，可以通過負(fù)載調(diào)制來提高后備效率。通過對DPA功率增加的研究可發(fā)現(xiàn)：輸出功率與輔助電流成正相關(guān)，而主PA上λ/4傳輸線負(fù)載R1隨著信號強(qiáng)度的變化而改變。

圖1 經(jīng)典的雙級Doherty功率放大器

DPA按工作狀態(tài)可分為如圖2所示的A、B兩種工作狀態(tài)。在V1點(diǎn)之前，由于輸出功率十分小，輔助PA未達(dá)到其閾值，呈現(xiàn)斷路狀態(tài)。隨著輸入功率的增加，功放增大，輔助PA到達(dá)閾值點(diǎn)后，開始工作。此時輔助PA線性工作的過程可以描述為電路中加入一個受控電流源I的過程。多級DPA與非對稱的DPA相比，在回退電平(Back off level)和峰值點(diǎn)(Peak point)之間的效率有一定的優(yōu)勢。圖3是2級、3級、4級DPA的瞬時集電極C效率，它們的轉(zhuǎn)移點(diǎn)分別位于-6 dB、-12 dB、-18 dB功率回退點(diǎn)。雙向DPA在-6 dB處效率處于最優(yōu)，這種優(yōu)勢即便是在信號峰值平均功率比大的情況下，也是十分明顯的。

圖2 DPA的工作狀態(tài)

圖3 不同Doherty PA的結(jié)構(gòu)效率

綜上所述，Doherty技術(shù)有其自身的優(yōu)點(diǎn)，但是也有不足。增益會降低、帶寬減小、負(fù)載敏感度高等是它的劣勢，可通過提供適當(dāng)?shù)墓╇娖秒妷焊纳七@一狀況，文獻(xiàn)[24]提出了一種80 W的高增益的有效Doherty PA，它具有新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)寬帶操作和高回退效率，使PA達(dá)到最優(yōu)性能。文獻(xiàn)[25]介紹了一種新的Doherty解決方案連續(xù)體，主晶體管與輔助晶體管之間的原始λ/4組合器是通用的，分析了導(dǎo)出的無損組合網(wǎng)絡(luò)替代時該連續(xù)體的狀況。因此，在實(shí)踐中采用新穎的Doherty PA解決方案能兼顧高效率和高線性度這兩個指標(biāo)。用上述方法在各種設(shè)計實(shí)例中不斷改進(jìn)Doherty技術(shù)，在5G通信中，可以將Doherty技術(shù)引入基站中射頻模組放大器的前端，再結(jié)合下文所分析的基帶預(yù)失真技術(shù)，提升系統(tǒng)的整體性能。讓Doherty技術(shù)在5G無線通信基站中進(jìn)一步展現(xiàn)其優(yōu)勢[26]。

2 PA高線性度的研究進(jìn)展

目前，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)已經(jīng)在無線局域網(wǎng)、數(shù)字電視廣播、數(shù)字聲音廣播等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。為保持超高通信速率和頻譜利用率，在5G中應(yīng)用OFDM技術(shù)時，必須使得信號峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio)有足夠的大小[27-30]。這必將要求PA線性度和峰值輸出功率有相應(yīng)的提升。因此，要實(shí)現(xiàn)5G通信超高速率的信號傳輸，必須解決毫米波PA輸出功率有限和超寬帶線性化這兩個突出問題。涉及到的挑戰(zhàn)包括：(1)如何選擇與設(shè)計可靠有效的毫米波功率合成架構(gòu)，探索其同有源元件陣列和微波單片集成配合使用的可行途徑，以及對自身結(jié)構(gòu)所帶來的輻射損耗的正確評估等問題；(2)如何選擇與設(shè)計可靠有效的超寬頻帶功率放大器線性提升技術(shù)、提取非線性特性、建立行之有效的多通道互耦(cross coupling)非線性建模與參數(shù)識別方法，以及如何精確地模擬和有效地消除通道之間的互耦非線性行為。提高PA效率的可行性方法如上文提及，而PA線性度的提升可以是對放大器轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行線性化，也可以說是使得PA整體的效率比功率回退時的效率要高。

采用負(fù)反饋技術(shù)的優(yōu)勢是提高了PA的可靠性和穩(wěn)定性，把反饋加于具有失真的放大器上，能減小系統(tǒng)的失真，但是系統(tǒng)的增益會降低。在基帶誤差放大器中常采用Cartesian反饋法(Cartesian Feedback)或者極化形式(polar)，它們能增加環(huán)路的增益，但環(huán)路的帶寬受到了限制，而且對記憶效應(yīng)(負(fù)載和PVT的變化)也不敏感。因為它們采樣輸出失真(Sample output distortion)需要用足夠高的環(huán)路增益去抵消。

圖4 預(yù)失真原理圖

預(yù)失真技術(shù)也是提高線性度的一種好的方法，輸入信號經(jīng)過預(yù)失真器，然后進(jìn)入放大器，使得放大器和預(yù)失真器構(gòu)成線性電路。如圖4所示，輸入信號與輸出信號分別經(jīng)過預(yù)失真器和放大器，得到的信號比原始信號要低。其中基帶預(yù)失真(Baseband Predistortion，又稱數(shù)字預(yù)失真)相比射頻預(yù)失真(RF Predistortion)的電路復(fù)雜程度要高。RF預(yù)失真適合在衛(wèi)星通信系統(tǒng)或蜂窩/PCN基站中應(yīng)用，它能同時進(jìn)入系統(tǒng)或者放大器的整個頻帶內(nèi)。但是采用RF預(yù)失真也有局限，用自適應(yīng)線模擬失真特性時，常需要調(diào)配，并且每個RF放大器都需要匹配，這會加大工作量，可以通過增加自動控制或者反饋系統(tǒng)進(jìn)行改善。

前饋技術(shù)是在反饋的基礎(chǔ)上得到的，是執(zhí)行方法不同的一種反饋。在帶寬、多載波線性化技術(shù)指標(biāo)有要求的PA設(shè)計中，往往采用前饋技術(shù)[31]。與反饋技術(shù)相比，采用前饋校準(zhǔn)不會降低PA的增益，而且它不與過去狀態(tài)關(guān)聯(lián)，是基于當(dāng)前的狀態(tài)，最重要的是前饋環(huán)是無條件穩(wěn)定的，而反饋系統(tǒng)中會存在潛在的不穩(wěn)定性，影響系統(tǒng)的性能。前饋技術(shù)的缺點(diǎn)是未對器件性能隨溫度和時間的變化做出補(bǔ)償。

具體的幾種方法的比較如表1所示，用傳統(tǒng)的方法很難在仿真中體現(xiàn)出硬件環(huán)境，但是隨著DSP技術(shù)的不斷發(fā)展和越來越成熟，提高線性度的方法將得到進(jìn)一步的改善。因此綜合比較下采用基帶預(yù)失真是理想的方案，將在5G提高PA線性度方面進(jìn)一步應(yīng)用。

表1 線性化方法之間的簡要比較[31]

3 結(jié)論

PA作為移動通信終端中耗能最大的部件，它的性能提升對于提高移動設(shè)備電池的續(xù)航時間，增進(jìn)用戶的數(shù)據(jù)體驗服務(wù)和應(yīng)對新一代移動通信5G的挑戰(zhàn)等都有著十分重大的意義。

GaN在電流截止頻率、震蕩頻率和擊穿電壓等方面都有一定的優(yōu)勢，且具有較低的噪聲特性，采用GaN材料制作的器件相對于其他材料器件有特殊優(yōu)勢，使之成為在高頻、高壓、大功率和高溫應(yīng)用方面PA設(shè)計的首選，具有很大的應(yīng)用前景。Doherty技術(shù)目前發(fā)展比較成熟，劃分好主PA和輔助PA分別起作用的閾值，采用合適的調(diào)制方式，把Doherty技術(shù)更好地應(yīng)用在5G中，可提高基站收發(fā)信號的能力。隨著PA輸入信號功率的變大，PA內(nèi)部的非線性往往阻礙著PA整體的性能，使得增益壓縮，綜合上文分析，采用基帶預(yù)失真的方法能夠滿足PA在5G發(fā)展中對線性度的要求。

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Research progress of RF power amplifier in 5G

Liu Jieyi, Wei Qidi, Zhang Guohao

(School of Information Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

RF power amplifier is a key module in the RF front end. The high frequency section of 5G mobile communication system employs millimeter wave power amplifier is the main trend at present. With the development of the mobile Internet and other business in 5G, it has proposed extreme stringently requirements for RF power amplifier performance and operating environment. Therefore, it has important application significance to study and understand power amplifier worked in millimeter wave frequency band. In this paper, the Doherty and linear optimization techniques are introduced, and the application trend of RF power amplifier in 5G is expounded.

power amplifier; millimeter wave; linearity; 5G

TN722.7+5； TN323+.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.23.004

劉潔儀，魏啟迪，章國豪.射頻功率放大器在5G中的研究進(jìn)展[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(23)：13-16.

廣東省領(lǐng)軍人才專項資助項目(400130002)

2017-05-12)

劉潔儀(1994- )，女 ，碩士研究生 ，主要研究方向：射頻、微波及毫米波單片集成電路及組件等。

魏啟迪(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：微波理論、現(xiàn)代微波天線的關(guān)鍵技術(shù)以及射頻功率放大器射頻產(chǎn)品。