（电磁场与微波技术专业论文）无线通信基站中的功率放大器研究.pdf

摘要 摘要 射频功率放大器( p o w e r a m p l i f i e r ) 是无线通信基站发射机中的重要器件，处 在发射机的末端，直接连接天线发射功率，而p a 又是基站( b a s es t a t i o n ) 中非线 性失真最高的器件，因此其线性度直接影响基站的发射性能和用户的通信质量。 同时p a 也是基站中消耗电能最高，产生热量最多的器件，其工作效率也会影 响基站整体的功耗、稳定性以及温度。在无线频谱资源日益拥挤和全球倡导绿 色通信的今天，p a 的线性化技术和效率增强技术也已经成为无线基站的关键。 但是目前在这两大类技术中，还有很多的实际问题需要解决。本文紧密围绕着 功放系统电路的实际应用，就现有的三类功放电路中的线性度和效率问题，展 开了相关的分析和探讨。 论文首先对p a 常用的分析方法，包括线性度和效率，进行了叙述和归纳。 功率放大器在设计时区别于小信号放大器的关键是功率匹配，在此基础上，分 析了满足p a 最大输出能力时的最优匹配阻抗和晶体管电参数的关系。然后阐 述了晶体管由非最优负载阻抗引出的牵引特性等高线，这也是功放在设计匹配 方法时的重要工具。最后分析了功放的非线性失真分析时采用的数学模型。 论文的第三、四、五章分别针对两大类“效率增强技术”中的三种功放模式， 即l i n c ( l l n e a rn o n l i n e a rc o m p o n e n t s ) 、d o h e r t y 和e t ( e n v e l o p et r a c k i n g ) ，进 行了分析和研究： 1 、l i n c 功放属于第一类“效率增强技术”一负载调制类。l i n c 功放的 效率关键是合路器的设计。在l i n c 的各种合路器中，c h i r e i x 合路器由于不存 在隔离电阻，没有损耗，可以带来较高的效率，因此作为讨论和设计的对象。 文中对c h i r e i x 合路器中的有源相位负载牵引进行了详细的分析，利用功放的负 载牵引等高线分析得到了c h i r e i x 合路器的输入阻抗特性，并在此基础上提出了 一种连接p a 和c h i r e i x 合路器的匹配方法，可以达到输出功率和回退效率的最 佳。实际的设计和测试结果也证明了该方法在改善效率方面的有效性，同时匹 配的方法也较为简单。 2 、d o h e r t y 功放也属于第一类负载调制类，和l i n c 功放不同的是，d o h e r t y 的负载牵引属于功率类牵引。d o h e r t y 虽然是现在无线基站中的主流，但是实 际的设计却存在较多的问题。本文针对一般的d o h e r t y 功放在设计时没有达到 足够回退量的问题，分析了开启电压v k n c 。的影响，并在分析的基础上，提出了 一种改进的方法，通过提高主功放在功率临界点以前的阻抗，来达到足够的回 退量，同时电路参数也做了相应的变化。仿真的结果显示新方法的简单和有效 摘要 性。 3 、e t 功放属于第二类“效率增强技术”一电源调制类，和负载调制类技 术不同的是，e t 功放是通过改变小信号时的电压来实现效率的改善。e t 特殊 的时变漏压工作模式，造成了其线性度的恶化，并且使得传统的记忆多项式 ( m e m o r yp o l y n o m i a l ) 模型的数字预失真( d i g i t a lp r e d i s t o r t i o n ) 算法校正存在一 定的困难。文中首先分析了时变漏压对p a 工作时的电路参数产生的影响，尤 其是处于功率管管脚根部的漏源寄生电容，随着漏极静态电压而变化，使得匹 配发生改变。然后在此分析的基础上对传统的记忆多项式模型进行了相应的改 进，加入了当前时刻和记忆时刻的交叉项。仿真结果显示，新模型在高功率、 低功率以及多载波状态下都可以有效的改善d p d 校正的效果。 关键词：功率放大器效率增强线性化技术l i n cc h i r e i xd o h e r t y 功放 e t 功放数字预失真 n a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e ra m p l i f i e rl sa ni m p o r t a n td e v i c ei nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb a s e s t a t i o n l o c a t e da tt h ee n do ft h et r a n s m i t t e r , i tc o n n e c t st ot h ea n t e n n aa n dt r a n s m i t s p o w e rs i g n a l p ap r o d u c e sm o s to ft h en o n l i n e a rd i s t o r t i o ni nt h eb a s es t a t i o n ，s ot h e l i n e a r i t y o fp aw i l la f f e c tt h ee m i s s i o n p e r f o r m a n c e o fb a s es t a t i o na n d c o m m u n i c a t i n gq u a l i t y p ai sa l s ot h ed e v i c et h a tc o n s u m em o s tp o w e ra n dp r o d u c e m o s th e a t ，a n di t sw o r k i n ge f f i c i e n c yw i l la f f e c tt h ep o w e r c o n s u m p t i o n 、s t a b i l i t ya n d t e m p e r a t u r e s ot h el i n e a r i z a t i o na n de f f i c i e n c ye n h a n c e m e n ta r et w ok e yt e c h n i q u e s i nt h eb a s es t a t i o n b u tt h e r ea r em a n yp r o b l e m si np r e s e n t - d a yt e c h n o l o g i c a l d e v e l o p m e n t so fp a b a s e do nt h ep r a c t i c ea p p l i c a t i o n so fp as y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o n i sf o c u s e do nt h el i n e a r i t ya n de f f i c i e n c yo ft h r e et y p e sp a f i r s to fa 1 1 ，g e n e r a la n a l y s i sm e t h o d so fp a ，i n c l u d i n gl i n e a r i t ya n de f f i c i e n c y , a r ep r e s e n t e da n ds u m m a r i z e d t h er e l a t i o n s h i po fo p t i m a li m p e d a n c ea n de l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s i s t o r sa tm a x i m u mo u t p u tp o w e r , i sa n a l y z e db a s e do nt h e p o w e rm a t c h ，w h i c hi st h ek e yd i f f e r e n c eb e t w e e np aa n ds m a l ls i g n a la m p l i f i e r t h e nt h el o a d p u l lc o n t o u r so b t a i n e df r o mt h en o n o p t i m a li m p e d a n c e ，a n dt h em a t h m o d e lf o rn o n l i n e a r i t y , a r ea n a l y z e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，c h a p t e rt h r e e ，f o u ra n df i v ea r ef o c u s e do nt h r e et y p e sp ai n t w oc a t e g o r i e st e c h n i q u e so fe f f i c i e n c ye n h a n c e m e n t ，w h i c hi sl i n c ，d o h e r t ya n de t , r e s p e c t i v e l y ： 1 、l i n cp a b e l o n g st ot h ef i r s tc a t e g o r yt h a ti sc a l l e dl o a dm o d u l a t i o n t h ek e y d e s i g no fl i n ce f f i c i e n c yi s i t sc o m b i n e r a m o n gv a r i o u sk i n d so fc o m b i n e rf o r l i n c ，c h i r e i xc a nb r i n gh i g h e re f f i c i e n c ys i n c et h e r ei sn oi s o l a t i o nr e s i s t o ra n dt h e r e l a t e dp o w e rc o n s u m p t i o n ，s oi tw i l lb ed i s c u s s e da n dd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e nt h ep h a s el o a d p u l li nc h i r e i xc o m b i n e ri sa n a l y z e di nd e t a i l s t h ei n p u t i m p e d a n c eo fc h i r e i xc o m b i n e ri so b t a i n e db a s e do nt h el o a d p u l lc o n t o u r s b a s e do n t h ec h a r a c t e r i s t i co fi m p e d a n c e ，an o v e li m p e d a n c em a t c hm e t h o db e t w e e np aa n d c o m b i n e ri sp r o p o s e d ，t oi m p r o v et h es a t u r a t ep o w e ra n dt h ee f f i c i e n c yi nt h eb a c k o f f r e g i o no fo u t p u tp o w e r t h ev a l i d i t yt oi m p r o v ep e r f o r m a n c ea n dt h ec o n v e n i e n c et o c i r c u i tt u n i n go ft h i sm e t h o da r ep r o v e db yi m p l e m e n t a t i o na n dm e a s u r e m e n t 2 、d o h e r t yp aa l s ob e l o n g st ot h ec a t e g o r yo f l o a dm o d u l a t i o n b e i n gd i f f e r e n t f r o ml i n c ，t h el o a d p u l lt y p ei nd o h e r t yi sp o w e rp u l l a l t h o u g hd o h e r t yi st h e i i i a b s t r a c t m a i n s t r e a mp ai nm o d e mw i r e l e s sb a s es t a t i o n ，t h e r ea r em a n y p r o b l e m st ob es o l v e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et h r e s h o l dv o l t a g eo ft r a n s i s t o rd r a i nt h a tc a u s e dd o h e r t yc a n n o ta c h i e v ei d e a lp o w e rb a c k o f f , i sa n a l y z e d b a s e do nt h i s ，an o v e li m p r o v e m e n t m e t h o dt or e a c ht h ed e s i r e dp o w e rb a c k - o f f , i sp r e s e n t e db yi n c r e a s i n gt h ei m p e d a n c e s e e nb ym a i np o w e ra m p l i f i e ri nt h ep o w e rb a c k o f fr e g i o n t h ev a l i d i t yo ft h i s m e t h o dt o i m p r o v eo u t p u tp o w e rb a c k o f fa n de f f i c i e n c yi sp r o v e db ys i m u l a t i o n r e s u l t s 3 、e tp a b e l o n g st ot h es e c o n dc a t e g o r yt h a ti sc a l l e dp o w e rs u p p l ym o d u l a t i o n t h i sk i n dp ac a ni m p r o v ee f f i c i e n c yb ym o d i f y i n gt h ed r a i ns u p p l ya c c o r d i n gt ot h e a m p l i t u d eo fi n p u ts i g n a l t h el i n e a r i t yo fe t p ai sd e t e r i o r a t e db e c a u s eo ft h e d y n a m i cs u p p l y , s ot h ep e r f o r m a n c eo fd p dl i n e a r i z a t i o nw i t ht r a d i t i o n a lm e m o r y p o l y n o m i a lm o d e lo fp ah a ss o m ed i f f i c u l t i e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ei m p a c tt ot h e c i r c u i tp a r a m e t e rc a u s e db yt h et i m e v a r i e d s u p p l yi sd i s c u s s e d e s p e c i a l l yt h e d r a i n - s o u r c ep a r a s i t i c a lc a p a c i t o ra tt h ep i no ft r a n s i s t o ri sv a r i e dw i t ht h ep o w e r s u p p l y , a n dt h em a t c hi sa l s oc h a n g e d b a s e do nt h ea n a l y s i s ，t h ei m p r o v e m e n to f t r a d i t i o n a lm e m o r yp o l y n o m i a lm o d e li sp r e s e n t e d ，b ya d d i n gc r o s st e r mo fc u r r e n t a n dm e m o r ys i g n a l s t h ev a l i d a t i o no ft h i sn e wm o d e lt oi m p r o v ep e r f o r m a n c eo f d p di ne t p ai sp r o v e db ys i m u l a t i o nr e s u l t s ，f o rb o t hh i g ha n dl o wp o w e ro u t p u t w i t hs i n g l ec a r t i e ra n dm u l t i p l ec a r r i e r s k e yw o r d s ：p o w e ra m p l i f i e r , e f f i c i e n c ye n h a n c e m e n t ，l i n e a r i z a t i o n ，l i n c ，c h i r e i x ， d o h e r t yp a ，e tp a ，d i g i t a lp r e - d i s t o r t i o n 图目录 图目录 图1 1功放系统技术发展框图2 图1 2 无线基站功放的发展趋势3 图2 。l 共轭匹配与负载线匹配1 0 图2 2 相同晶体管在共轭匹配和功率匹配下的输出增益曲线1 1 图2 3一般放大器电路示意图1 2 图2 4 一般场效应管的输出特性曲线族1 2 图2 5a 类放大器在低阻和高阻阻抗下的负载线分析。1 3 图2 6以电抗和电阻串联形式为负载的放大器电路和等效电路图1 5 图2 7 低阻下的功率等高线族1 6 图2 8a 类放大器的“功率等高线”示意图1 7 图2 9 一般l o a d p u l l 测试系统示意图18 图2 9 裸芯片和封装的阻抗变换关系：( a ) 电路模型( b ) 等高线随着c d s 的变 化趋势。1 9 图3 1l i n c 放大器系统原理框图2 2 图3 2l i n c 分解解析式的几何表达关系2 3 图3 3单载波和两载波w c d m a 信号s i 。和异相分量e ( t ) 的频谱2 4 图3 4 两条支路存在一定失平衡下的输出频谱。2 4 图3 5 常见的两种合路器：( a ) w i l k i n s o n 合路器；( b ) 正交耦合合路器。2 5 图3 6 采用“隔离匹配”类合路器的l i n c 整体效率2 6 图3 7 有源负载牵引分析：( a ) 等效电路：( b ) 牵引出的电抗2 7 图3 8 负载牵引出的附加电抗分析：( a ) 并联等效电路；( b ) 加入补偿电抗的 等效电路。2 8 图3 9c h i r e i x 合路器2 8 图3 1 0 采用微带线的c h i r i e x 合路器2 9 图3 1 lc h i r e i x 合路的效率曲线3 1 图3 1 2 两种c h i r e i x 合路器的补偿微带线实现方式3 2 图3 1 3串联微带线c h i r e i x 合路器等效电路分析3 3 图3 1 4 在不同的补偿角度下6 两路功放看到的阻抗：( 8 ) 6 = 万6 ：( b ) 6 = 7 4 ； ( c ) 6 = 尼3 3 4 图3 1 5 功放和c h i r e i x 直联时的效率和平衡式a b 类效率的对比3 5 图3 1 6 等高线分析参考面3 6 图3 1 7 单管功放的等高线和功放看到的阻抗的比较3 7 图3 1 8 加入调节微带线的l i n c 放大电路3 8 图3 1 9 扫描调节线角度t 时，两个交点在b b 面显示出的阻抗3 8 图3 2 0 选择合适的t 后，功放的等高线和功放看到的阻抗的比较3 9 v i i 图目录 图3 2 1单管功放匹配到功率顶点之后的l i n c 阻抗比较4 0 图3 2 2 采用新匹配方法的l i n c 和平衡式a b 类效率仿真结果对比4 0 图3 2 3 功放和c h i r e i x 合路器电路版图4 2 图3 2 4l i n c 和平衡式a b 类的效率测试结果对比4 2 图4 1幅度有源负载牵引原理图4 6 图4 2 一般双路d o h e r t y 电路结构4 7 图4 3 在对称d o h e r t y 中，小信号时的负载线分析4 9 图4 4 负载分别为r o p t 和2 r o p t 时的增益和效率对比4 9 图4 5d o h e r t y 大信号阶段的等效电路分析5 0 图4 6 理想条件下，d o h e r t y 中主功放和辅功放的电流电压随着输入信号的 变化趋势5 3 图4 7 主功放看到的阻抗z 1 和辅功放看到的阻抗z 2 变化趋势示意图5 3 图4 8 理想条件下d o h e r t y 和b 类的连续波效率对比5 5 图4 。9 理想d o h e r t y 和b 类的连续波效率，以及输入信号为p a r = 1 0 d b 的 w c d m a 信号时的调制信号效率对比5 6 图4 1 0 导通角模式的直流、基波、二次和三次谐波的幅度，随着导通角度 c 【的变化6 1 图4 “ 具有相同功率等级的d o h e r t y 和平衡式的增益和效率对比6 2 图4 1 2 主功放和辅功放输出的基波电流和电压幅度，随着输入电压幅度的 变化趋势6 3 图4 1 3 主功放和辅功放的负载阻抗随着输入电压信号幅度的变化6 3 图4 1 4d o h e r t y 辅功放的栅压分别设定为1 3 v 、1 7 v 和2 1 v 时的效率和 增益曲线6 4 图4 1 5m r f 7 s 2 1 1 7 0 的漏极输出特性曲线6 6 图4 1 6v l c i l 。对于负载线的影响6 6 图4 1 7 功率回退量随着归一化开启阻抗r x 的变化关系6 8 图4 1 8m r f 7 s 2 1 1 7 0 在i b p t 和2 r o p t 下的增益曲线6 9 图4 1 9 功率面积分析7 0 图4 1 9 在不同高阻下主功放的输出增益压缩曲线7 0 图4 2 0 新匹配方式的d o h e 啊电路阻抗分析7 l 图4 2 2 新方法和传统方法的效率和增益对比7 3 图5 1 一般e e r 电路框图7 6 图5 2 一般e t 电路框图7 6 图5 3e t 的负载线分析7 8 图5 4晶体管在漏极电压v d d 扫描时的效率和增益曲线，其中箭头方向是 v d d 由5 v 增加到2 8 v 的方向8 0 图5 5 在最优效率下的效率、增益和v d d 随着输出功率的变化，以及v d d 随着输入信号电压的变化8 0 i i 图目录 图5 6 图5 7 图5 图5 图5 图5 o 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 图5 。2 2 v d d 的最优选择和线性选择两种条件下的效率对比8 l 输出相同平均功率的e t 和a b 类功放，归一化增益、相移以及频谱 对比，其中左列三张图是e t 功放特性，右列三张图是a b 类功放的 特性8 3 e t 和a b 类功放的邻道泄露比随着输出功率的变化趋势8 4 一般数字预失真的原理框图8 5 单载波输入时，a b 类功放的统计特性：( a ) 增益；( b ) 丰f l 移。8 8 单载波输入时，建模误差的变化曲线：( a ) 记忆深度为1 时，建模误 差随着非线性阶数的变化；( b ) 非线性阶数为5 时，建模误差随着记 忆深度的变化。8 9 四载波输入时，a b 类功放的统计特性：( a ) 增益；( b ) 才f l 移。9 0 四载波输入时，建模误差的变化曲线：( a ) 记忆深度为3 时，建模误 差随着非线性阶数的变化；( b ) 非线性阶数为6 时，建模误差随着记 忆深度的变化9 0 传统记忆多项式建模下的数字预失真和直通下的增益和相移统计 特性9 2 传统记忆多项式模型下，d p d 校正前后功放的a c p r 和n m s e 性 能随着输出功率的变化9 3 漏源电容c d s 随着漏极电压的变化趋势9 4 动态漏压引起的额外漏源电容e 。9 5 传统记忆多项式模型和新模型下的数字预失真校正效果对比9 7 e t 在低功率( 左图) 和高功率( 右图) 时的增益校正效果9 8 某个时间区间里的输入信号和预失真后的信号对比9 8 d p d 对于平均效率的影响9 9 双载波信号下，新模型的数字预失真校正效果1 0 0 i x 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即： 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 劢纱年多月乙日 作者签名： 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 现代无线通信正处于飞速发展的时代，有限的频谱资源上需要承载越来越高 的数据流量。在2 g 时代，如g s m 只有1 0 k b p s 的传输速率，到3 g 时代，如 w c d m a 拥有3 8 4 k b p s 的传输速率，以至未来的4 g 时代中，l t e 将要达到 1 0 0 m b p s 的传输速率。在这种数据量指数增长的需求下，无线基站的设计和工 作承受着巨大的压力。2 0 0 9 年底世界首个4 g 网络在瑞典和挪威的正式运行，标 志着全球的无线通信即将进入一次革命化的进程。在国内，三大通信运营商在进 行了重组之后，为了发展自己3 g 的服务，需要对现有2 g 基站进行技术改进和 更新换代。因此现在无线基站正处于一个发展较为迫切的阶段。 无线基站作为无线通信系统中的发射端，需要更高效更有效的发射信号，而 作为发射机末端的功率放大器，位于无线网络金字塔的底层，数量最多、成本最 高、能耗也最大。其性能的好坏直接影响基站的工作状态，主要表现在功率、效 率和线性方面【2 巧j 。 在功率方面，功放是基站放大发射信号的主要部件，其输出功率会影响信号 的发射距离，同时功放在无线网络静态能耗中占据了大权重，功放还是无线网络 动态能耗最主要的部分，射频功放、电源等硬件，是能耗的具体载体。同时网络 规划、信道功率资源调度算法等软特性，直接影响发射功率的大小。功放能耗的 这个特征，是无线网络区别于有线网络能耗的主要差异部分。同时高功率的要求 也是功率放大器设计的基本要求和出发点i 2 刁儿6 i 。 在效率方面，作为基站中消耗功率最大的模块【2 】，功放的效率提高也是基站 中的关键技术，不仅可以使基站在更低的能耗下工作，同时也可以降低基站的运 行成本，并提高基站工作的稳定性。效率的提升不仅有利于基站的工作，同时也 是全球环保的要求。在刚刚结束的“哥本哈根全球气候大会”中，中国政府已经 向世界承诺：到2 0 2 0 年，中国的单位国内生产总值二氧化碳排放量比2 0 0 5 年下 降4 0 到4 5 ，为了达到这个要求，国内的三大电信运营商相继给出了相应的 承诺：中国移动承诺到2 0 1 2 年底，相比2 0 0 8 年单位业务量耗电下降2 0 ；中国 电信承诺在“十一五”期间，单位业务收入能耗降低1 6 ；中国联通同时承诺 在2 0 1 0 年底，能耗降低2 0 。这些都对基站中功放的效率提出了要求和期望， 因此如何提高功放的效率也成为了一门专门的学科方向。 在线性方面，由于功放处于发射端的末级，它是基站发射信号失真的主要来 源。在大功率功放下，功放通常具有非常强烈的非线性效应和记忆效应，因此会 第1 章绪论 影响发射信号的质量。这些影响包括两个方面，即带内和带外。带内的失真影响 通信质量，带外的失真会影响邻道。由于无线通信频谱资源的日益拥挤，需要在 一定的带宽内无失真地实现更多的业务量，而功放本身的失真又不可避免，因此 就产生了又一类学科方向，即功放线性化技术，以此来保证基站的线性度。 从以上的叙述中可以看出，功放的技术发展就是在一定的功率等级上，实现 更高的效率和更高的线性度。因此，本文的主要内容也是在这个范围内，针对无 线基站中的几种常见功放类型，即l i n c ，d o h e r t y 和e t ，分别进行分析和研究。 1 2 功率放大器的技术发展 功率放大器从最早只具有放大功能的简单a b 类电路，到现在的大规模应用 和产业化，已经包含了电路、算法和结构等多方面的系统化技术，研究领域也越 来越开阔，研究课题也越来越广泛。关于功率放大器以及周边的技术可以由图 1 1 所示： d o h e r t y 优化 功率器件选择 高效率功放卜 ， - f 峰平比抑制 图1 1 功放系统技术发展框图 限幅法 压缩扩展法 图1 1 中所示的功放系统可以分为两大类，第一类是功放系统电路，主要研 究电路级的应用，包括了高效功放、功放结构以及大规模生产技术；第二类是信 号处理部分，主要配合功放系统，研究功放输入输出信号的特征，包括了数字预 失真记。i l ( d p d ：d i g i t a lp r e d i s t o r t i o n ) 平l l 峰均比抑制( c f r ：c r e s tf a c t o rr e d u c e ) 。 2 |一一一一一一差一 第1 章绪论 这两大类技术中，核心部分是功放系统电路，信号处理部分可以对功放的性能进 行改进。 本论文的主要研究对象是功放系统电路，其发展流程可以由图1 2 所示。而 功放电路中最为核心的部分是具有放大功能的晶体管，其也是功放设计和发展的 基础；其次是单管电路的发展，主要包括传统导通角模式a b 类和开关类等：最 后是功放系统的发展，主要包括功率合成、效率增强和线性化技术。 图1 2 无线基站功放的发展趋势 1 2 1 功率晶体管工艺的发展 从最初第二代通信时代的g s m9 0 0 m h z 蜂窝电话技术开始，无线通信基站 功率放大器所用的晶体管类型一直被l d m o s ( l a t e r a l l yd i f f u s e dm e t a lo x i d e s e m i c o n d u c t o r l 型所主导。相对于更早的双极型晶体管，l d m o s 在很多方面 存在着优势，如：可以经受住3 倍的驻波比，能在较高的反射功率下正常工作， 同时它也更能承受输入信号的过激励，以及更适合发射数字信号，这些都是归因 于它可以承受相当高的瞬时峰值功率，而且l d m o s 增益曲线一般也较为平滑并 且允许多载波数字信号放大且失真相对较小。l d m o s 型的功率管有一个较低的 互调饱和区，而且走势也比较平坦，而双极型晶体管互调较高，并且随着功率电 平的增加而变化较为剧烈。互调好的特性可以使l d m o s 晶体管的工作功率高于 双极型晶体管二倍之多，并保持较好的线性，这种特性使得l d m o s 型功率管频 率范围宽，线性度高，使用寿命也较长，因此特别适和c d m a 、w - c d m a 、t e t r a 、 以及数字地面电视等的应用。当然它也存在着一些缺点，如功率密度低和容易受 第1 章绪论 到静电的破坏等等。 随着半导体技术的发展，第三代材料有望能够突破输出功率和耐压的限制， 其中研究和进展最多的是g a n 材料，这是一种高电子迁移率晶体管h e m t ( h i g h e l e c t r o nm o b i l i t yt r a n s i s t o r ) ，已经成为第三代半导体技术领域发展和竞争的焦 点，其主要优势是【l i 】： 1 、较高的二维电子气2 d e g 密度。由于g a n 加强了对2 d e g 二维限制，使 得电子迁移率也得到很大的提高，这样可以使得晶体管具有高跨导、高饱和电流 和高截止频率的优势： 2 、较高的温度。由于g a n 的禁带宽度为3 4 e v ，达到了硅材料的3 倍之多， 因此可以在相当宽的温度范围内，都可以很精确的控制自由载流子的浓度，很适 合高温的工作，同时高的热导率也可以有效的改善器件的散热特性，提高功放工 作的可靠性； 3 、较高的功率特性。g a n 材料的击穿电场通常可以达到4 m v c m ，这样可 以使得晶体管工作在相当高的偏压下，同时输出的功率密度可以达到1 0 w r a m 2 ， 可以有效的减小器件尺寸。如现在的常见的大功率l d m o s 型功率管通常的工作 漏压都在2 8 v 左右，而现有的g a n 功率管通常都可以工作在5 0 v 左右。 同时，g a n 还有漏源寄生电容较低等优点。但是目前g a n 的发展还处于起 步阶段，价格昂贵，而且性能提升尚不明显，还没有进入商业应用领域。 1 2 2 单管功放电路的发展 单管电路的发展以传统的a b 类降低导通角模式为基础，发展出了很多种开 关电路，如d 1 2 - 13 1 、e 1 4 18 1 、f 1 9 - 2 2 1 和逆f 类2 3 - 2 6 1 ，以及最近提出的j 类2 7 1 等等。 这些电路的主要目的都是达到较高的饱和效率。而实际上，单管开关电路是 不适合用于基站功放的。原因主要有以下2 个方面： 1 、较窄的带宽。无线信号通常具有一定的带宽，而且随着通信业务量的增 加，所需要的带宽也在增加，因此如f 类需要对谐波进行控制的电路，当频率偏 离中心频率时，效率会降低。 2 、功率回退时的效率仍然较低。现代无线信号为了充分利用频谱资源，通 常都是需要进行幅度调制，因此信号通常具有一定的峰均比p a r ( p e a k t o a v e r a g e r a t i o ) ，尤其对于越来越多的多载波信号，峰均比会更高。在放大这样的信号时， 为了保证信号的峰值不会被过分压缩并保证一定的线性度，功率放大器的平均输 出功率通常处于较多的回退状态下，这时候功放输出的平均效率相对于饱和峰值 效率要更重要一些。单管开关类功放虽然具有较高的峰值效率，但是在小功率的 时候的效率仍然较低，提升并不明显。 4 第1 章绪论 虽然单管电路的单独应用具有一定的局限性，而在实际的基站中，如果将其 用于功放系统结构中，可以利用开关类功放较高的饱和效率来实现功放系统电路 整体更高的回退效率。如有用开关类作为d o h e w 主功放的设计【1 9 2 8 3 1 】，也有用 开关类作为e t 功放的设计【3 2 1 。 1 2 3 功放系统电路的发展 在实际的基站中，用的最多的还是功放系统电路。所谓功放系统电路，就是 利用两个或者更多的晶体管来实现功率放大功能，同时可以实现一些关键性能的 提高，如效率增强类技术【3 卅，主要可以分为两大类： l 、负载牵引类。负载牵引类主要有l i n c 和d o h e w ，这也是本论文其中两 个研究内容，他们都是通过改变负载阻抗的方式来增强效率。l i n c 中最关键的 两个问题是效率提升陋3 9 1 和支路平衡【4 0 4 卯。在效率提升方面，q u r e s h i 4 6 1 等人通 过独立控制两条放大支路的调制器，在大回退功率时，将两路功放的异相角度保 持恒定，使得l i n c 在低功率时工作在b 类，以此来改善小功率时的效率，并通 过调节设计参数来优化增益、效率和线性化。还有在传统的l 玳c 基础上提出了 多层l i n c ( m m l i n c ) 的概念并加以实现【3 5 47 1 ，通过设定功率从高到底时的最大 信号点，来分级进行异相处理，可以有效的改善小信号的效率。在改善效率方面 最多的还是利用c h i r e i x 合路器的形式1 4 8 。5 3 j ，方法简单，也不需要添加额外的器 件和电路。d o h e n ) ，功放从上个世纪末到现在一直是功放领域的研究热点，由于 其设计简单，效率改善明显，已经成为了无线基站中应用最为广泛的一种功放形 式 体6 1 】。但是传统的d o h e 啊功放形式仍然存在很多可以改进的空间，有将多个 d o h e n ) ，并联形成n 路分布式功放的形式【6 玉邱j ，可以改善高增益和高效率，同时 带宽也有所增加：有将d o h e w 的峰值功放采用包络跟踪的形式，以随着输入信 号的变化，动态改变峰值功放开启的形式来改善整体效率；也有将开关类类功放 和e t 功放作为主功放来提升d o h e w 效率的形式【19 2 8 。3 1 】。在提升回退功率方面， 为了满足现代通信信号越来越高的峰均比，在传统对称d o h e w 的基础上，又衍 生出了非对称d o h e n v 【钵6 5 】以及三路和多路d o h e w 形式【6 6 。6 8 1 ，这几种电路形式， 都可以增加回退功率，在输出功率回退更多的时候提升效率。 2 、电源牵引类。电源牵引类的功放主要是e e r 和e t ，其中e t 也是本文其 中一个研究对象。e e r 和e t 的工作形式类似，都是通过跟随输入信号动态的改 变漏极供电，来使得功放在每个输入功率点上都能达到饱和，实现大功率范围的 高效。由于e e r 的诸多问题u 8 6 9 。，如相位对准困难、小功率效率低下、调相 信号带宽过宽等，又衍生出了h y b r i d e e r 类型【7 卜陀】。h e e r 的工作机制非常接 近e t ，因此本文也主要以e t 作为研究对象，近期e t 成为功放领域的个研究 第1 章绪论 热点，是最有希望取代d o h e r t y ，成为下一代主流的功放模式【7 3 1 。在e t 功放中， 研究的热点问题是时变漏压【3 2 , 7 3 - 7 4 鬟j 产生和线性化【5 4 , 7 5 - 7 6 ，而实际上这两个问题 是需要同时解决的，因为宽带调制信号的幅度带宽通常是较宽的，一般的电源模 块很难进行宽带的放大，针对这个问题，j i n s e o n g 7 7 等人提出了对包络信号降低 带宽再进行自适应数字预失真的办法，信号首先经过低通滤波器，降低带宽，然 后再利用数字预失真的办法