作者： Cree公司 Raymond Pengelly， Ryan Baker， Mattias Astrom和Joel L. Dawson

隨著無線通信的帶寬、用戶數(shù)目和地理覆蓋范圍的擴大，基站收發(fā)器的功率放大器部分對于更高效率的需求不斷增長。無線功率放大器所消耗的功率超過了基站運行所需功率的一半。通過提高效率來減少功耗具有多項優(yōu)勢，首先，最明顯的優(yōu)勢是降低了運營成本，同時，更少的廢熱意味著更低的設(shè)備冷卻需求和更高的可靠性。如果能夠減少對溫升問題的關(guān)注度，那么無線運營商為了應(yīng)對4G和未來技術(shù)所帶來的無線數(shù)據(jù)使用量的大幅增加而選建設(shè)新基站時，其在選址方面會更加靈活。

圖1： 具有四種幅值級別的AMO調(diào)制技術(shù)的理論效率，對比兩級 AMO和 “一級”移相（或稱為LINC，即“具有非線性成分的線性放大”）。

但是，更高的效率要求4G無線信號擁有更寬帶寬和高線性，為了解決這個問題，最近新創(chuàng)企業(yè)Eta Devices正在為一項在麻省理工學(xué)院（MIT）開發(fā)的技術(shù)：非對稱多級移相（asymmetric multilevel outphasing， AMO）技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化開發(fā)。此AMO技術(shù)將移相技術(shù)的高線性配備了提升效率、多級別、分立開關(guān)的漏極偏置電壓。分立開關(guān)漏極偏置電壓是支持寬帶寬、同時保持高效率的關(guān)鍵所在，而這也是這項技術(shù)超越傳統(tǒng)包絡(luò)跟蹤技術(shù)的最大優(yōu)勢。圖 1 顯示了AMO技術(shù)如何實現(xiàn)效率提升，超越單獨的移相技術(shù)。

在任何移相系統(tǒng)中，最大化的效率是通過單個功率放大器的性能獲取的。在大功率放大器設(shè)計中，Eta Devices公司使用GaN HEMT器件，這種器件的實際峰值漏極效率超過了80%。選用GaN技術(shù)是因為其具有相比現(xiàn)有硅器件的更好性能，后者在相同條件下峰值漏極效率僅勉強超過70%。

配合高性能RF放大器，電源開關(guān)系統(tǒng)必須針對具有最小瞬變的低損耗開關(guān)而優(yōu)化，系統(tǒng)的時序是非常重要的，這就需要管理每個信號和控制路徑中的延遲。一旦正確地同步，Eta Devices的專有數(shù)字預(yù)失真（DPD）技術(shù)就成為了實現(xiàn)4G系統(tǒng)的嚴(yán)苛相鄰信道功率比 （ACPR）規(guī)范的關(guān)鍵。這種架構(gòu)已經(jīng)在多種功率級別和應(yīng)用中實施，包括用于手機和WLAN傳送器的1W PA（功率放大器）到用于基站的100W PA，并使用了多種半導(dǎo)體材料如GaN、GaA和硅材料。

AMO對比ET工作

目前，業(yè)界有兩種眾所周知通過非線性功率放大器來實現(xiàn)線性放大的方法，就是移相 （outphasing） 和包絡(luò)跟蹤（ET）。移相使用了兩個在恒幅下工作的相位調(diào)制放大器，輸入信號可轉(zhuǎn)換為特征相位并送至放大器，其輸出是組合的，以便相位成分的增強和刪除能夠準(zhǔn)確復(fù)制輸入的信號。在實踐中，移相需要功率組合器，能夠為每個PA提供一致的負(fù)載；在放大器之間實現(xiàn)隔離，并提供大功率處理能力。這些特性可能難以實現(xiàn)，尤其是在寬頻帶上。移相的另一個限制就是具有高峰值平均功率比 （peak-to-average power ratio）（低平均功率輸出）的信號會導(dǎo)致效率降低，因為阻性負(fù)載浪費并消耗了許多放大器功率。

ET將RF信號分成單獨的相位角和振幅成分。PA在飽和模式下工作，通常為開關(guān)模式之一，例如Class E。相位調(diào)制應(yīng)用于RF驅(qū)動，而為PA供電的DC電源則通過振幅包絡(luò)進(jìn)行調(diào)制，因此相位和振幅同時在輸出端還原。盡管ET非常普及，但它仍然受到4G和WLAN標(biāo)準(zhǔn)越來越多的帶寬要求的挑戰(zhàn)。對于ET來說，問題的關(guān)鍵是電源調(diào)制器，必須在許多不同的性能方面有所提升。它必須處理大量功率、效率很高、具有高線性度、具有高分辨率、在系統(tǒng)中幾乎不產(chǎn)生噪聲，并且支持寬頻調(diào)制。現(xiàn)代的無線標(biāo)準(zhǔn)需要增加帶寬而不放松任何其它性能要求，使得只采用ET技術(shù)的方案的未來前景受到懷疑。

移相和包絡(luò)跟蹤的設(shè)計挑戰(zhàn)已由AMO解決，后者結(jié)合了移相和包絡(luò)跟蹤的最合適特性來改進(jìn)性能。圖2所示為AMO方框圖，圖2a顯示了基本功能；圖2b闡述了典型的實施方案。它從信號處理開始，提供相位調(diào)制信號給功率放大器，而功率放大器具有多級電源調(diào)制器。放大了的信號的輸出結(jié)合了保持非線性PA高效率的高線性度。

圖2： AMO方框圖。

AMO解決方案的物理特性有利于在高效率下實現(xiàn)高帶寬調(diào)制，但它是以在此AMO實施核心的非傳統(tǒng)DPD方案為代價來實現(xiàn)的。雖然DPD架構(gòu)是非傳統(tǒng)的，但所需要的計算資源與傳統(tǒng)DPD的并無不同。因此，它沒有產(chǎn)生與增加了的數(shù)字復(fù)雜性相關(guān)的隱藏功率成本，所以不會損害總體效率的增益?？傊?，AMO允許權(quán)衡解決移相和包絡(luò)跟蹤行為的限制，從而實現(xiàn)了在每個方面都具有最佳特性的系統(tǒng)。

圖4： Class E GaN放大器照片。

GaN器件和PA設(shè)計

核心開關(guān)模式（switch-mode） PA的效率決定了移相、ET和AMO等技術(shù)的最大系統(tǒng)效率。對于現(xiàn)有的無線通訊放大器，大多數(shù)最高效率的生產(chǎn)器件都采用GaN工藝來生產(chǎn)。例如，在麻省理工學(xué)院（MIT） （注2）開發(fā)的原型中使用的GaN HEMT器件（注1）？，它們在最大飽和輸出功率上規(guī)定了65% （3.6 GHz） 和 》 70% （2 GHz） 的典型效率。圖3所示為PA電路圖，而圖4是已組裝的放大器照片。對于AMO應(yīng)用，PA經(jīng)設(shè)計在整個由階梯式開關(guān)電源調(diào)制器提供的漏極電壓范圍具有良好的性能。

整體性能

一個完整的傳送器（參見圖5）包含了幾種附加的系統(tǒng)成分。基帶I和Q信號被傳送至采用FPGA實現(xiàn)的數(shù)字預(yù)失真（DPD）和調(diào)制信號處理器中。在此系統(tǒng)中，DPD通過查找表來實現(xiàn)，該表是以PA上傳送器在不同組合DC電平所測出的靜態(tài)非線性特性來建立的。移相信道相位調(diào)制數(shù)據(jù)被傳送到兩個PA的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和相位調(diào)制器。振幅調(diào)制數(shù)據(jù)，以及粗略的延遲校正則驅(qū)動電源調(diào)制器電路。RF前置放大器提供了必需的驅(qū)動電平，而在輸出端，組合器將PA輸出匯總到一個RF輸出中。

圖5： 測試傳送器方框圖。

性能總結(jié)

AMO將單獨采用移相和包絡(luò)跟蹤其中一種方法時所得的理想屬性相結(jié)合。圖6所示為四級AMO測試傳送器的效率與帶寬性能對比。AMO系統(tǒng)架構(gòu)使用Class E GaN PA，與最新的DPD方案相結(jié)合，在1MHz帶寬上提供了平均70%的已調(diào)制漏極效率，而在20MHz帶寬上僅輕微降至68%。電源調(diào)制器損耗已包含在這一效率測量中。

圖6： 在2.14GHz、100W峰值功率、7dB PAPR和ACPR 》 45dBc上的效率與帶寬對比。

圖7顯示了采用最新DPD方案的相鄰信道中的頻譜能量。在20MHz信道帶寬上，ACPR性能大于54dBc，同時可保持68%的效率。效率與功率回退 （backoff）對比測量數(shù)據(jù)如圖8所示。雖然在最大平均輸出功率上，這些器件具有70%的已調(diào)制漏極效率 （包括調(diào)制器損耗），但在功率回退上的性能可以說是更重要的。這是因為網(wǎng)絡(luò)運營商幾乎從來不在最大平均輸出功率上運行他們的基站。相反地，它們通常以最大值的30至50% 工作。圖8顯示，對于最大平均功率的10dB功率回退，該器件系統(tǒng)僅損失10%的效率。對于具有7dB PAPR的信號，這實際上從峰值功率上回退了17dB。

圖7： 20MHz BW， 7dB PAPR傳送的頻譜性能，載波頻率為2.14GHz，輸出功率為100W峰值。

圖8： 在功率回退下的測量效率 （ACPR 》 45dBc）。圖中顯示了四個單獨的漏極電壓，虛線說明了在整個功率回退范圍上四級AMO如何達(dá)到系統(tǒng)效率。

這項技術(shù)正繼續(xù)擴展其能力，專注于支持LTE和MC-GSM，實現(xiàn)軟件定義無線電，并且迎接擴展的帶寬標(biāo)準(zhǔn)比如WLAN的挑戰(zhàn)。

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