射頻與微波功率放大器發(fā)展的歷程、現(xiàn)狀與趨勢

吳淘鎖++鄔海峰

摘 要：隨著無線通信技術(shù)的快速演進，無線通信系統(tǒng)的性能指標變得尤為重要。功率放大器作為無線通信系統(tǒng)中影響發(fā)射機輸出功率、效率、線性度等指標的重要器件，其研究和設(shè)計的重點也相應(yīng)發(fā)生著變化。了解并掌握PA的相關(guān)演進過程與趨勢，對于PA的設(shè)計和研發(fā)有著重要的意義。因此，文章通過基于20年間文獻的調(diào)研成果，介紹了PA的演進歷程、研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及其中一些亟待解決的問題。

關(guān)鍵詞：發(fā)展現(xiàn)狀；未來趨勢；PA；射頻與微波

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）11-00-02

0 引 言

功率放大器（PA）是射頻與微波系統(tǒng)中發(fā)射機末端的關(guān)鍵元件，其作用是將輸入信號在需要的頻帶上進行放大，并使其功率達到系統(tǒng)所要求的等級水平，故PA的性能直接影響到整個通信系統(tǒng)信號的傳輸距離和傳輸質(zhì)量。分析PA的演進歷程、研究現(xiàn)狀與國內(nèi)外發(fā)展趨勢，有利于分析不同類型PA產(chǎn)生的原因及特點，有利于PA設(shè)計在無線通信技術(shù)發(fā)展中所面臨的輸出功率、效率、線性度等一些問題的解決，對設(shè)計良好的PA有一定的研究意義。

1 功率放大器的演進

功率放大器（PA）的發(fā)展歷程如圖1所示，其中列舉了無線通信系統(tǒng)發(fā)展中的一些代表性事件。從圖1中可以看出，PA主要經(jīng)歷了發(fā)展初期、平穩(wěn)過渡階段蓬勃發(fā)展階段這三個發(fā)展階段。

1.1 發(fā)展初期

如圖1所示，1833年，F(xiàn)araday最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻不同于一般的金屬，其電阻隨溫度升高而降低，這被認為是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)；1904年，電子二極管問世；1906年，真空三極管的問世推動了無線電廣播系統(tǒng)的發(fā)展；1920年，隨著半導(dǎo)體的進一步發(fā)展，人們開始研究PA，設(shè)計出傳統(tǒng)的模擬功率放大器有A類、B類、AB類及C類；為了解決AB類功率回退、效率降低的問題，1936年，Doherty提出了可以提高射頻PA效率的一種解決方案[1]，即為DPA；為了進一步實現(xiàn)PA的高效率指標，1958年，Tyler第一次提出了高效F類PA的一般性闡述[2]；1975年，Sokal在文獻中提出了E類PA的基本模型[3]，因其高頻性能出色、結(jié)構(gòu)簡單而廣泛應(yīng)用于無線通信、開關(guān)電源等領(lǐng)域中。

1.2 平穩(wěn)過渡階段

1980年，數(shù)字預(yù)失真（Digital Pre-Distortion，DPD）被首次提出，進而破解了PA線性化技術(shù)中的難題，隨之DPA受到研究重視；1990年，由于對線性度和效率折衷的迫切需要，AB、B類PA 又得到了大力的研究與快速的發(fā)展；如圖1所示，2000年，Grebennikov重新分析了F類PA[4]，并設(shè)計出了三次諧波峰化的負載網(wǎng)絡(luò)，解決了F類PA效率較低的問題，繼而逆F類PA問世。由于這一段時期為模擬移動通信向著數(shù)字移動通信跨越的交叉時期，無線通信技術(shù)正處于轉(zhuǎn)型階段，故導(dǎo)致PA的研究隨著無線通信的平穩(wěn)發(fā)展而緩慢推進。

圖1 PA的發(fā)展歷程

1.3 蓬勃發(fā)展階段

2003年，為了提高PA的效率與線性度，DPD首次結(jié)合AB類PA的應(yīng)用如圖1所示，2005年為降低E類PA晶體管的峰值電壓，進而減小其被擊穿的風(fēng)險，提高整體電路的可靠性，逆E類PA問世；隨著無線通信系統(tǒng)的進一步需求與快速發(fā)展，2006年，為解決PA效率低、帶寬窄的問題，簡化其拓撲結(jié)構(gòu)，J類PA被提出，并于2009年由Cripps團隊首次實現(xiàn)了J類功率放大器的實體化設(shè)計[5]；2010年，高效、寬帶連續(xù)F類PA問世，與此同時，為解決傳統(tǒng)AB類PA必須工作在效率較低的功率回退區(qū)的問題，包絡(luò)跟蹤（ET）PA問世。

隨著無線通信新標準、新技術(shù)的不斷發(fā)展，要求提高射頻與微波PA的各種性能，進一步降低成本、減小尺寸與重量。同時擁有良好的線性度、高輸出功率及效率?；赑A的發(fā)展歷程與演進原因，所有這些問題對其設(shè)計提出了新的要求，并決定了PA的下一步發(fā)展趨勢。

2 PA的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 PA的研究現(xiàn)狀

按照PA文獻的發(fā)表時間、數(shù)量進行分析，從圖2可以得出，1995～2004年為慢速上升期，2005～2011年上升速度較快，2012～2014年，則有所下降并出現(xiàn)波動。通過對Journals& Magazines 雜志的論文發(fā)表量進行分析，可以看出PA文獻的發(fā)表數(shù)目是逐年上升的。由此可以說明，PA在近20年里的研究在持續(xù)升溫，并成為熱門的研究課題。

圖2 近20年P(guān)A文獻發(fā)表數(shù)目

由表1可知，通過對PA相關(guān)會議的地點分布進行分析，美洲排名第一，亞太地區(qū)和歐洲次之，發(fā)現(xiàn)可提供學(xué)術(shù)交流平臺的地區(qū)多為發(fā)達國家，如美國、英國、日本等國家，顯而易見的是美國占78%，說明其占有絕對的研究優(yōu)勢，而中國僅占3%，說明中國在PA研究領(lǐng)域仍然處于發(fā)展初期。

2.2 PA研究的發(fā)展趨勢

近幾十年來影響射頻與微波功率放大器發(fā)展的因素主要為器件、工藝與技術(shù)，如表2所示，文獻的索引率及引用率反映了近四年P(guān)A研究的熱點課題。通過表2的分析結(jié)果，結(jié)合文獻分析與PA有關(guān)的熱點研究，可以分為E類PA、DPD、GaN、Doherty、晶體管模型等，具體相關(guān)的熱點研究方向為以下幾個方面：

（1）由于高效率PA的研究是未來發(fā)展方向，故針對E類PA的研究仍將是重點；

（2）DPD技術(shù)作為提高PA線性度的熱點研究方法，其寬帶特性也是重點研究對象，未來PA線性度研究仍是重點；

（3）GaN PA雖然出現(xiàn)較晚，但是近些年擁有較高的關(guān)注度，表明了其強勁的研究態(tài)勢，是未來大功率PA的主力；

（4）PA設(shè)計的基礎(chǔ)為晶體管的建模，因其非線性效應(yīng)的建模是提升PA線性度等指標的重要保障，因此也將是研究熱點之一；

（5）Doherty PA是電路架構(gòu)研究方式中的熱點問題，因為它可以實現(xiàn)效率和線性度的良好折中，同時針對峰均比信號具有良好的平均效率。

表1 PA文獻發(fā)表會議統(tǒng)計表國別 百分比 國別 百分比

美國 78% 澳大利亞 3%

加拿大 4% 法國 2%

日本 3% 瑞士 2%

英國 3% 韓國 1%

中國 3% 新加坡 1%

3 結(jié) 語

綜上所述，PA的研究仍是一個持續(xù)升溫、熱門的課題，設(shè)計具有高集成度、低成本、高效率的集成PA，以及研究具有高效率、高線性度等指標的GaN分立PA，將是未來射頻與微波功率放大器的發(fā)展趨勢，同時通過提高現(xiàn)有PA的效率、線性度及晶體管模型精度，通過新型器件和新穎的設(shè)計技術(shù)，將有利于促進無線通信系統(tǒng)的進一步發(fā)展。

參考文獻

[1] W. H. Doherty.A new high efficiency power amplifier for modulated waves[J].Proc. Inst. Radio Eng.， 1936， 24（9）：1163-1182.

[2] V. J. Tyler. A new high-efficiency high power amplifier[J].Marconi Rev.， 1958， 2（130）：96-109.

[3] N. O. Sokal， A. D. Sokal.Class E-A new class of high-efficiency tuned single-ended switching power amplifiers[J].IEEE J. Solid-State Circuits， 1975， 10（3）：168-176.

[4] A. V. Grebennikov.Circuit design technique for high efficiency class F amplifiers[J].IEEE Int. Microw. Symp. Dig.， 2000，2：771-774.

[5] P. Wright， J. Lees， J. Benedikt， et al. A methodology for realizing high efficiency class-J in a linear and broadband PA[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques， 2010，57（12）：3196-3204.

[6] D. R. Morgan， Z. Ma， L. Kim， et al.A generalized memory polynomial model for digital predistortion of RF power amplifiers[J].IEEE Trans. Signal Process.， 2006， 54（10）：3852-3860.

[7] F. H. Raab， P. M. Asbeck， S. C. Cripps， et al.Power amplifiers and transmitters for RF and microwave[J].IEEE Trans. Microw. Theory Tech.， 2002， 50（3）：814-826.

[8] U. K. Mishra， L. Shen， T. E. Kazior， et al.GaN-based RF power devices and amplifiers[J].Proc. IEEE， 2008， 96（2）：287-305.

[9] I. Aoki， S. Kee， D. Rutledge，et al. Fully-integrated CMOS power amplifier design using the distributed active transformer architecture[J].IEEE J. Solid-State Circuits， 2002， 37（3）：371-383.

[10] J. Kim， K. Konstantinou.Digital predistortion of wideband signals based on power amplifier model with memory[J]. IET Electron. Lett.，2001， 37（23）：1417-1418.

[11] J. C. Pedro， S. A. Maas.A comparative overview of microwave and wireless power-amplifier behavioral modeling approaches[J].IEEE Trans. Microw. Theory Tech.， 2005， 53（4）：1150-1163.

[12] F. H. Raab.Class-F power amplifiers with maximally flat waveforms[J].IEEE Trans. Microw. Theory Tech.， 1997， 45（11）：2007-2012.