高效率微波功放现状

高效率微波功放现状

功率放大器常应用在发射机的末端，是收发信机中最重要的耗能元件。随着通信产业的发展，无线通信系统的耗能问题受到越来越多的重视。在无线通信系统中，射频系统是其重要的部分，功率放大器作为射频系统的前端模块，它的成本大约占到基站的三分之一。而射频功率放大器作为重要的耗能元件，在整个无线通信系统中的耗能占了很大比重，追求更高的功放效率已经成了设备制造商们的重要目标。

针对功放效率，国内外在开关模式放大器技术、EE&R技术、LINC 技术和Doherty 放大器、谐波控制技术等方向进行过研究。同其它几种技术相比，Doherty 技术有着工作效率高、实现方式简单，成本相对低廉，对系统的线性度的影响相对较小等多个优点，并且可以方便地和改善线性度的前馈和预失真技术相结合，因此在现代无线通信系统中得到广泛的研究和应用。本文将简要介绍高效率微波功放技术中的谐波控制技术、Doherty技术、EE&R技术。

一、谐波控制技术

理想情况下，A 类放大器的最大效率只有50%，B 类放大器的最大效率为78.5%，C 类放大器的最大效率为100%时输出功率为0，这在功率放大器设计中是不可取的。由负载线理论可知，负载阻抗（主要是基波阻抗）决定晶体管的最大输出功率，必然会影响其最大效率。大信号下的功放早已产生谐波分量，推而广之，谐波阻抗必然也会影响功放的效率。当漏极电压与电流波形交错,即没有重叠部分时,直流能量可以完全地转化为了交流能量。而如何获得理想的电压电流波形便成了提高功放效率的关键。谐波控制类功放是从频域出发,利用特定比例的谐波分量来调控波形,从而实现高效率的。F类,逆F类,J类功放均是典型的谐波控制类功放。下面分别对F类、逆F类功放中谐波控制技术的应用进行说明。

为获得理想F类波形,功放输出需要对偶次谐波短路,奇次谐波开路。即负载匹配电路的偶次谐波阻抗为零,奇次谐波阻抗呈现无限大。这也是F类功放设计的精要。在物理现实中,因为漏源电容等因素作用,无法对所有高次谐波进行控制。因此,工程上通常利用二、三次谐波分量调整功放输出波形。

不同的输出电压电流波形能够使放大器工作时产生不同量的耗散功率。耗散功率越小,功率放大器将能量转化能力就越强。逆F类功放提高效率的原理也即是此:通过对谐波分量的控制,来输出最佳的波形(电压为半正弦,电流为方波)。要实现逆F功放的理想波形必须满足两个条件:(l)电压中只有偶次谐波分量,电流中只有奇次谐波分量;(2)剩余的谐波分量形成一定的幅度相位关系。要满足以上两个条件,不仅需要在输出端进行谐波负载控制,输入谐波控制也是必要的。

二、EE&R技术

EE&R技术是提取出信号的幅度和相位信息，分别放大后再进行相位和幅度的合成，输出射频信号。相位和幅度的合成一般使用高效率的开关类功率放大器，管子的栅极接相位信号，电源电压用幅度信号进行调制。这种方法的优点是平均效率比较高，一般是线性功放的3～5倍，且线性度只与包络通道有关，提高线性性能比较方便。缺点是需要补偿相位、幅度两路径的延时差。除了两个通道的时间队列之外,EE&R系统的线性受到两个支路的限制带宽的影响，特别是包络通路。信号分离为包络和相位（即从笛卡尔坐标到极坐标的转换）展宽了频谱。

EE&R技术的系统图大致如下图所示：

理想的限幅器消除了非线性RF功放中产生AM-PM失真的可能性，因此功放的输出得以保持输入信号的原始的未失真的相位特性。常包络RF信号使用D 类、E类或F类开关模式放大器来进行高效率放大。功率放大器最后一级的幅度调制恢复相位调制载波信号的包络，产生了输入信号幅度的复制。在EE&R系统中,RF晶体管的偏置点根据输入信号的功率动态的改变，因此功放在整个输出功率的大动态范围内都工作在高效率区域

三、Doherty技术

传统功率放大器设计采用功率回退的方法，但牺牲了功放的效率uJ。在现在的通信射频系统中，大多数都采用多载波调制技术，高的峰均比使回退的线性放大器设计效率极低，通常只有15％左右。Doherty结构功放配合数字预失真技术可以很好地提升功率效率，效率可以提升到35％以上。经典的二级Doherty结构框图如下图所示：

其中包括两个放大器，即主（载波）放大器和辅助（峰值）放大器，两个放大器并行连接，主放大器串接一条λ/4的传输线起阻抗变换作用，辅助放大器前λ/4传输线用于补偿由主放大器输出的λ/4的传输线引起的相移。

主放大器偏置在Ｂ类模式，而辅助放大器偏置在Ｃ类模式。Doherty功率放大器结构的基本工作原理可在低、中、峰值输出功率区域加以区分。低功率状态时，输入信号比较小，辅助放大器截止，只有主功放处于工作状态；到达中功率时，主功放的输出电压达到峰值饱和点时，理论上的效率可以达到

78.5％。如果此时将激励加大，那么工作在Ｃ类模式的辅助放大器开始工作。

由于辅助放大器工作后的牵引，主功放的负载减小，所以尽管载波放大器的输出电压饱和，输出功率还是会随着负载的减小而持续增大。当达到激励的

峰值时，辅助放大器也达到了饱和点。单个Ｂ类功放的最大效率出现在峰值处，而采用Doherty技术可以使主放大器在饱和输出点处功率回退６dB的情况下获得和输出饱和功率一样高的效率。

功率放大器在通信系统中发挥着举足轻重的作用，它将射频信号的功率推到适合的水平，然后通过天线发送出去，因此追求微波功放的高效率一直是设计人员关注的热点。本文简要介绍了高效率微波功放的现状及实现高效率的关键技术，由于个人能力有限，尚有很多不足之处。