雙驅(qū)動(dòng)功率放大器

下面就由天華中威科技小編帶大家了解一下最新的前沿技術(shù)。
引言
現(xiàn)代功率放大器（PA）有望通過(guò)OFDM支持高階調(diào)制信號(hào)（如256-/1024-/4096-QAM），提高峰均功率比（PAPR）。然而，高PAPR會(huì)導(dǎo)致在當(dāng)前的PA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，輸出的平均PAE（功率增加效率）低于預(yù)期。這就是問(wèn)題所在，PA既是先進(jìn)通信系統(tǒng)的推動(dòng)者，又是限制者。

雖然PA可以用于高階調(diào)制方案，但它可能會(huì)低效地消耗無(wú)線通信系統(tǒng)內(nèi)的大部分功率，其中大部分浪費(fèi)的能量以熱量的形式耗散了。鑒于日益嚴(yán)格的通信協(xié)議和要求，高性能PA對(duì)于成功和快速采用下一代商業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。

提高PA的效率可以大大有利于整個(gè)無(wú)線通信市場(chǎng)，包括移動(dòng)設(shè)備、可穿戴設(shè)備、蜂窩基站、手機(jī)、雷達(dá)和其他新興市場(chǎng)。

目前的PA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)更高效、更線性的PA的需求推動(dòng)了廣泛的研究，以改善器件的性能，例如提高晶體管的fmax/ft。3 此外，線路后端工藝的改進(jìn)，如更厚和更低損耗的頂部金屬層，提高了無(wú)源元件的性能，這使得效率和輸出功率得到進(jìn)一步提高。4

然而，晶體管器件增加的fmax/ft指標(biāo)并不一定能改善PA的性能，因?yàn)橥ǔＧ闆r下，較小的光刻節(jié)點(diǎn)具有減少的電壓開銷和較小的擊穿限制，使器件的性能和可靠性需要權(quán)衡。

關(guān)于電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)，到目前為止，幾乎所有的PA都依賴于共源或共柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且主要側(cè)重于通過(guò)向PA的輸出呈現(xiàn)多諧波負(fù)載來(lái)提高峰值/功率回退（PBO）、PAE和最大輸出功率（Pout），正如在F類、J類及其逆向和連續(xù)模式操作中完成的那樣。5

近年來(lái)，有一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到了普及，那就是諧波調(diào)諧的PA及其不同的變種。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)利用了在基本頻率和一些諧波處添加負(fù)載的優(yōu)勢(shì)，以提高放大器的最大PAE。大多數(shù)現(xiàn)代技術(shù)的fmax/ft在100至300GHz之間。因此，在毫米波下，諧波含量可能不足以使效率得到重大改善。此外，可以提供諧波調(diào)諧的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)往往是復(fù)雜和有損的，進(jìn)一步阻礙了效率的提高。即使這種技術(shù)顯示出低到中等的效率改善，但前面提到的缺點(diǎn)阻礙了它的商業(yè)應(yīng)用。

最近的工作還集中在進(jìn)一步提高基于電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以支持復(fù)雜的調(diào)制方法，如堆疊、出相位、混合信號(hào)、可重構(gòu)和Doherty PA。6,7 然而，在納米級(jí)的現(xiàn)代硅工藝中，每個(gè)堆疊晶體管的電源電壓低于1V（級(jí)聯(lián)器件為2V），因?yàn)榫w管膝電壓Vknee成為電源電壓的重要部分，這些報(bào)道的技術(shù)在PAE和Pout上的回報(bào)率越來(lái)越小。此外，在實(shí)際部署中經(jīng)?？吹诫娫措妷旱念~外減少，以確保器件的可靠性。

這對(duì)于毫米波陣列尤其重要，因?yàn)殛嚵袉卧詈蠒?huì)導(dǎo)致大量的天線阻抗失配（VSWR）和不希望出現(xiàn)的PA輸出電壓/電流大波動(dòng)。盡管所報(bào)道的技術(shù)提高了毫米波下的整體PA效率，但在不借助較低的傳導(dǎo)角或諧波整形時(shí)，其工作原理在理論上無(wú)法超越B類共源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的線性模式PA的核心效率。

除了固態(tài)技術(shù)之外，行波管（TWT）放大器由于其高功率和高效率（大于90%）而被普遍用于衛(wèi)星收發(fā)機(jī)。然而，行波管放大器非常笨重，外形尺寸橫跨幾十厘米，并且由于在更高頻率（大于1GHz）下基于陣列架構(gòu)的天線尺寸和間距要求更小，其無(wú)法用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)。

因此，超高效的大功率毫米級(jí)固態(tài)PA對(duì)于下一代通信網(wǎng)絡(luò)的成功和快速部署至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)谑瞻l(fā)器功率效率、熱管理要求和整體通信信道性能方面優(yōu)于其他方案。

PA的效率考慮因素

圖1顯示了已公布的20至50GHz范圍內(nèi)的PA的Psat與PAEmax。8 在Psat和PAEmax之間有一個(gè)固有的權(quán)衡。此外，存在兩個(gè)由Psat劃分的功率/效率區(qū)域。在紅色區(qū)域，效率受技術(shù)或器件性能的限制，在一定程度上受拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制。在藍(lán)色區(qū)域，通過(guò)采用不同的功率合路技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率的增加，因此，效率受限于合路器輸出網(wǎng)絡(luò)的損失。這表明在飽和輸出功率和最大效率之間有一個(gè)明顯的權(quán)衡。

圖1 已公布的20至50GHz PA的飽和輸出功率與最大PAE。