射频功率放大器在5G中的研究进展

综逋与评®Review and Comment

射频功率放大器在5G中的研究进展+

刘洁仪，魏启迪，章国豪

(广东工业大学信息工程学院，广东广州510006)

摘要：射频功率放大器是射频前端的关键模块，而5Z高频段采用毫米波功放是主要发展趋势。5Z面对移动互联网等多种

业务的激增，对射频功率放大器的性能及工作环境提出了更加苛刻的要求。因此，对射频功率放大器在毫米波下的研究与了解

有着重要的应用意义。文中重点介绍了Doherty技术和线性度优化技术，并阐述了射频功率放大器在5Z中的应用趋势。

关键词！功率放大器；毫米波；线性度；第五代移动通信

中图分类号：TN722.7 +5; TN323 + .4 文献标识码：A D0I： 10. 19358/j.iss n.1674-7720.2017.23.004

引用格式:刘洁仪，魏启迪，章国豪.射频功率放大器在5Z中的研究进展[J].微型机与应用，2017,36(23):13-16.

Research progress of RF power amplifier in 5G

Lin Jieyi，Wei Qidi，Zhang Guohao

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

AbstTclCt：RF power amplifier is a key module in the RF front end. The high frequency section of 5G millimeter wave power amplifier is the main trend at present. With the development of the mobile Internet and posed 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.

K e y w o r d s：power amplifier；millimeter wave ；linearity；5G

〇引言

射频集成电路产业作为信息技术产业的核心，在维护 国家安全和提升市场经济等方面发挥着重大的作用。一 方面各国商业和战略主权方面的竞争给当前集成电路产业制造了一个竞争非常激烈的国际环境％12]，另一方面当 今世界越发朝着知识经济成一体系、信息共享加快和网络 越发便捷的方向发展，集成电路产业在这些进程中扮演着 核心的角色。而功率放大器（Power A m plifier,P A)作为集 成电路产业中不可或缺的一部分，一方面体现在它是射频 模组前端必不可少的模块，连接射频天线和收发芯片(tran sc civer)，另一方面是它的性能决定着移动通信系统的性能，包括移动通信终端支持的通信模式、天线接收信 号的强弱等。因此P A效率和线性度的提升决定着整个射频系统的性能水平的提升，以及对适应5G发展、提高 用户终端体验等都有十分重大的意义%%6]。

L T E(Long Term Evolution)技术虽然可以提供较高的下载速度并支持高吞吐量应用，但由于双工器和滤波器的 面积限制，目前尚无手持设备可以兼容所有聚合频带(Aggregation b a d)。另外，由于L T E与W iF i技术的不兼

*基金项目：广东省领军人才专项资助项目（400130002)

《微型机与应用》2017年第36卷第23期容，使得物联网的短距离传输更多的是采用W iF i、蓝牙或 ZigB e e等。L T E不能适应当前物联网兴起的发展，所以研 究新一代移动通信系统第五代移动通信（以下简称5G)的需要日益强烈。5G在克服上述L T E缺点的同时，对移动 互联网业务、时延的减少以及物联网多样化的业务需求等 提出了挑战%716]。相对于4G采用的网络扁平化架构，5G 将采用新型网络架构技术一C-R N A架构。该架构采用分布式远程射频单元（R R U)和集中式基带单元（B B U)实现 多点传输/接收技术，光纤传输网络把无线信号传送到偏远的地方，覆盖上百个基站，这要求射频模组前端的PA 对于在长距离下传送的信号，也能保持高效率和线性度。目前，4G所用频谱资源是十分紧缺的，而且各类通信设备 所占用的频谱带宽也是十分拥挤的，根据无线通信传输的 最大信号的带宽与载波频率成正相关的原理，5G若采用 毫米波频段能改善目前4G频谱资源相对紧缺的现状，而 且频谱带宽将轻松比4G宽10倍以上，甚至可到20倍。小天线、紧凑和轻设备是毫米波的另外几个优点，包括基 站的天线尺寸将越来越小，甚至做到毫米量级，未来可以 把基站设置在各种不起眼的角落。因此，毫米波段是未来 5G的应用趋势[17]。另外5G通信要求单位时间内吞吐率更高、能耗更低、电池寿命更长，特别是在毫米波频段（毫 欢迎网上投稿www. pcachina. com 13

Review and Comment

图1

经典的双级Doherty 功率放大器

DPA 按工作状态可分为如图2所示的A 、B 两种工作

状态。在V 1点之前，由于输出功率十分小，辅助P A 未达 到其阈值，呈现断路状态。随着输入功率的增加，功放增 大，辅助P A 到达阈值点后，开始工作。此时辅助P A 线性 工作的过程可以描述为电路中加入一个受控电流源I 的 过程。多级D P A 与非对称的D P A 相比，在回退电平 (Back off level )和峰值点（Peak point )之间的效率有一定 的优势。图3是2级、3级、4级DPA 的瞬时集电极C 效率， 它们的转移点分别位于-6 dB 、-12 dB 、-18 d B 功率回退 点。双向DPA 在-6 dB 处效率处于最优，这种优势即便是 在信号峰值平均功率比大的情况下，也是十分明显的。

综上所述，Doherty 技术有其自身的优点，但是也有不 足。增益会降低、带宽减小、负载敏感度高等是它的劣势， 可通过提供适当的供电偏置电压改善这一状况，文

《微型机与应用》2017年第36卷第23期

最大负载为最大输出功率，可以通过负载调制来提高后备

效率。通过对DPA 功率增加的研究可发现：输出功率与 辅助电流成正相关，而主P A 上A /4传输线负载％随着 信号强度的变化而改变。

米波）可以通过空间分集达到更高的容量和更低的延迟， 因此提高超宽带毫米波P A 的效率、线性度等性能迫在 眉睫。

理论方面，晶体管（transistor )作为射频放大器的核心 器件，它通过用小信号来控制直流电源，产生随之变化的 高功率信号，从而实现将电源的直流功率（direct-current

power )转换成为满足辐射要求的功率信号。工程应用方

面，提升P A 性能的方法大多依赖工艺％1889]，价格比较昂 贵。砷化镓（ZaAs )半导体工艺和氮化镓（GaN )半导体工 艺是目前制作P A 的所用的主要半导体材料，在射频前端 芯片市场中占据着重要的市场份额。其中GaN 作为第三 类半导体材料的代表，在提高性能方面可采用文献[20] 所述的T s -E s k i 模型加转移矩阵和背向连接的二极管模 型。该模型主要研究了 AlN/GaN HEMT 的正向栅电流， 探寻了正向栅极的电流特性，其次V ?的主要势垒在A 1N 和GaN 的接触面区域会有所提高。采用这种方法便于电路 设计人员以漏电栅极电流模拟[F 性能。另外结合GaN 在 电子迁移率、工作效率、耐压能力等方面的优势，GaN 工艺 将继续保持在制作手机等移动通信设备芯片中P A 首选材 料的优势，将在5G 发展中进一步展示其优越的性能。1 D o h e r t y 技术的研究进展

5G 要求之一是为用户提供更高的数据传输体验服 务，这就需要提高系统的频谱利用效率来达到这一指标。 提高效率的传统方法有Doherty 技术、EER ( Envelope Elim ­

ination and Restoration ) 和 ET ( Envelope Tracking ) 等技术。

其中EER 技术由于自身存在非线性的问题，在进行幅度 和相位的调制时，会造成调制路径的延时%2182]，而5G 通 信要求系统的延时尽可能地低，这显然不利于信号的传 播。近期已有相关的毫米波E T 放大器报道%23]，但是该方 法依赖于高性能的电源转换器，难以为5G 感兴趣的带宽 提供高效率的动态电源，而且5G 对于包络与射频信号同 步的相关联的定时要求是严格的。但是E T 具有当动态 供电带宽低于射频信号的带宽时，仍可以提高射频放大器

的效率这一优势，因此E T 技术值得进一步研究与改善。 相比之下，目前的Doherty 技术发展是十分迅速的，它的优 势是既能在保持线性度的同时，又能通过对峰值功率

(peak power )和平均功率（average power )的控制作用，使

P A 维持高效率的信号传输，即便是在功率变化波动范围

很大的情况下。这一优势奠定了 Doherty 技术将成为5G 基站发展中射频模组前端P A 的首选。

Doherty 的基本原理可通过分析经典的双级Doherty PA (如图1所示）：它由主P A (通常在A B 类或B 类偏

置）、辅助PA (偏置在C 类）、A /4传输线和负载构成，其 中'2传输线把主P A 和辅助P A 分隔开来。当DPA ( Do ­

herty PA ) 工作在低效率状态下，由于它的集电极 C 的偏

置作用，辅助电源V c 会关闭。当主P A 工作在负载上，

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图2 DPA 的工作状态

4-stage DPA

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3-stage DPA ，--------------------f

2—stage DPA <---------►•••••

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Class B PA

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功率回退电平/dB

图3 不同D oherty PA 的结构效率

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