射頻功率放大器在5G中的研究進展*

劉潔儀，魏啟迪，章國豪

(廣東工業大學 信息工程學院，廣東 廣州 510006)

射頻功率放大器在5G中的研究進展*

劉潔儀，魏啟迪，章國豪

(廣東工業大學 信息工程學院，廣東 廣州 510006)

射頻功率放大器是射頻前端的關鍵模塊, 而5G高頻段采用毫米波功放是主要發展趨勢。5G面對移動互聯網等多種業務的激增，對射頻功率放大器的性能及工作環境提出了更加苛刻的要求。因此，對射頻功率放大器在毫米波下的研究與了解有著重要的應用意義。文中重點介紹了Doherty技術和線性度優化技術，并闡述了射頻功率放大器在5G中的應用趨勢。

功率放大器；毫米波；線性度；第五代移動通信

0 引言

射頻集成電路產業作為信息技術產業的核心，在維護國家安全和提升市場經濟等方面發揮著重大的作用。一方面各國商業和戰略主權方面的競爭給當前集成電路產業制造了一個競爭非常激烈的國際環境[1-2]，另一方面當今世界越發朝著知識經濟成一體系、信息共享加快和網絡越發便捷的方向發展，集成電路產業在這些進程中扮演著核心的角色。而功率放大器(Power Amplifier, PA)作為集成電路產業中不可或缺的一部分，一方面體現在它是射頻模組前端必不可少的模塊，連接射頻天線和收發芯片(transceiver)，另一方面是它的性能決定著移動通信系統的性能，包括移動通信終端支持的通信模式、天線接收信號的強弱等。因此PA效率和線性度的提升決定著整個射頻系統的性能水平的提升，以及對適應5G發展、提高用戶終端體驗等都有十分重大的意義[3-6]。

LTE(Long Term Evolution)技術雖然可以提供較高的下載速度并支持高吞吐量應用，但由于雙工器和濾波器的面積限制，目前尚無手持設備可以兼容所有聚合頻帶(Aggregation band)。另外，由于LTE與WiFi技術的不兼容，使得物聯網的短距離傳輸更多的是采用WiFi、藍牙或ZigBee等。LTE不能適應當前物聯網興起的發展，所以研究新一代移動通信系統第五代移動通信(以下簡稱5G)的需要日益強烈。5G在克服上述LTE缺點的同時，對移動互聯網業務、時延的減少以及物聯網多樣化的業務需求等提出了挑戰[7-16]。相對于4G采用的網絡扁平化架構，5G將采用新型網絡架構技術—C-RNA架構。該架構采用分布式遠程射頻單元(RRU)和集中式基帶單元(BBU)實現多點傳輸/接收技術，光纖傳輸網絡把無線信號傳送到偏遠的地方，覆蓋上百個基站，這要求射頻模組前端的PA對于在長距離下傳送的信號，也能保持高效率和線性度。目前，4G所用頻譜資源是十分緊缺的，而且各類通信設備所占用的頻譜帶寬也是十分擁擠的，根據無線通信傳輸的最大信號的帶寬與載波頻率成正相關的原理，5G若采用毫米波頻段能改善目前4G頻譜資源相對緊缺的現狀，而且頻譜帶寬將輕松比4G寬10倍以上，甚至可到20倍。小天線、緊湊和輕設備是毫米波的另外幾個優點，包括基站的天線尺寸將越來越小，甚至做到毫米量級，未來可以把基站設置在各種不起眼的角落。因此，毫米波段是未來5G的應用趨勢[17]。另外5G通信要求單位時間內吞吐率更高、能耗更低、電池壽命更長，特別是在毫米波頻段(毫米波)可以通過空間分集達到更高的容量和更低的延遲，因此提高超寬帶毫米波PA的效率、線性度等性能迫在眉睫 。

理論方面，晶體管(transistor)作為射頻放大器的核心器件，它通過用小信號來控制直流電源，產生隨之變化的高功率信號，從而實現將電源的直流功率(direct-current power)轉換成為滿足輻射要求的功率信號。工程應用方面，提升PA性能的方法大多依賴工藝[18-19]，價格比較昂貴。砷化鎵(GaAs)半導體工藝和氮化鎵(GaN)半導體工藝是目前制作PA的所用的主要半導體材料，在射頻前端芯片市場中占據著重要的市場份額。其中GaN作為第三類半導體材料的代表，在提高性能方面可采用文獻[20]所述的Tsu-Esaki模型加轉移矩陣和背向連接的二極管模型。該模型主要研究了AlN/GaN HEMT的正向柵電流，探尋了正向柵極的電流特性，其次Vg的主要勢壘在AlN和GaN的接觸面區域會有所提高。采用這種方法便于電路設計人員以漏電柵極電流模擬RF性能。另外結合GaN在電子遷移率、工作效率、耐壓能力等方面的優勢，GaN工藝將繼續保持在制作手機等移動通信設備芯片中PA首選材料的優勢，將在5G發展中進一步展示其優越的性能。

1 Doherty技術的研究進展

5G要求之一是為用戶提供更高的數據傳輸體驗服務，這就需要提高系統的頻譜利用效率來達到這一指標。提高效率的傳統方法有Doherty技術、EER(Envelope Elimination and Restoration)和ET(Envelope Tracking)等技術。其中EER技術由于自身存在非線性的問題，在進行幅度和相位的調制時，會造成調制路徑的延時[21-22]，而5G通信要求系統的延時盡可能地低，這顯然不利于信號的傳播。近期已有相關的毫米波ET放大器報道[23]，但是該方法依賴于高性能的電源轉換器，難以為5G感興趣的帶寬提供高效率的動態電源，而且5G對于包絡與射頻信號同步的相關聯的定時要求是嚴格的。但是ET具有當動態供電帶寬低于射頻信號的帶寬時，仍可以提高射頻放大器的效率這一優勢，因此ET技術值得進一步研究與改善。相比之下，目前的Doherty技術發展是十分迅速的，它的優勢是既能在保持線性度的同時，又能通過對峰值功率(peak power)和平均功率(average power)的控制作用，使PA維持高效率的信號傳輸，即便是在功率變化波動范圍很大的情況下。這一優勢奠定了Doherty技術將成為5G基站發展中射頻模組前端PA的首選。

Doherty的基本原理可通過分析經典的雙級Doherty PA(如圖1所示)：它由主PA(通常在AB類或B類偏置)、輔助PA(偏置在C類)、λ/4傳輸線和負載構成，其中λ/4傳輸線把主PA和輔助PA分隔開來。當DPA(Doherty PA)工作在低效率狀態下，由于它的集電極C的偏置作用，輔助電源Vcc會關閉。當主PA工作在負載上，最大負載為最大輸出功率，可以通過負載調制來提高后備效率。通過對DPA功率增加的研究可發現：輸出功率與輔助電流成正相關，而主PA上λ/4傳輸線負載R1隨著信號強度的變化而改變。

圖1 經典的雙級Doherty功率放大器

DPA按工作狀態可分為如圖2所示的A、B兩種工作狀態。在V1點之前，由于輸出功率十分小，輔助PA未達到其閾值，呈現斷路狀態。隨著輸入功率的增加，功放增大，輔助PA到達閾值點后，開始工作。此時輔助PA線性工作的過程可以描述為電路中加入一個受控電流源I的過程。多級DPA與非對稱的DPA相比，在回退電平(Back off level)和峰值點(Peak point)之間的效率有一定的優勢。圖3是2級、3級、4級DPA的瞬時集電極C效率，它們的轉移點分別位于-6 dB、-12 dB、-18 dB功率回退點。雙向DPA在-6 dB處效率處于最優，這種優勢即便是在信號峰值平均功率比大的情況下，也是十分明顯的。

圖2 DPA的工作狀態

圖3 不同Doherty PA的結構效率

綜上所述，Doherty技術有其自身的優點，但是也有不足。增益會降低、帶寬減小、負載敏感度高等是它的劣勢，可通過提供適當的供電偏置電壓改善這一狀況，文獻[24]提出了一種80 W的高增益的有效Doherty PA，它具有新型的網絡架構，可實現寬帶操作和高回退效率，使PA達到最優性能。文獻[25]介紹了一種新的Doherty解決方案連續體，主晶體管與輔助晶體管之間的原始λ/4組合器是通用的，分析了導出的無損組合網絡替代時該連續體的狀況。因此，在實踐中采用新穎的Doherty PA解決方案能兼顧高效率和高線性度這兩個指標。用上述方法在各種設計實例中不斷改進Doherty技術，在5G通信中，可以將Doherty技術引入基站中射頻模組放大器的前端，再結合下文所分析的基帶預失真技術，提升系統的整體性能。讓Doherty技術在5G無線通信基站中進一步展現其優勢[26]。

2 PA高線性度的研究進展

目前，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)已經在無線局域網、數字電視廣播、數字聲音廣播等領域廣泛應用。為保持超高通信速率和頻譜利用率，在5G中應用OFDM技術時，必須使得信號峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio)有足夠的大小[27-30]。這必將要求PA線性度和峰值輸出功率有相應的提升。因此，要實現5G通信超高速率的信號傳輸，必須解決毫米波PA輸出功率有限和超寬帶線性化這兩個突出問題。涉及到的挑戰包括：(1)如何選擇與設計可靠有效的毫米波功率合成架構，探索其同有源元件陣列和微波單片集成配合使用的可行途徑，以及對自身結構所帶來的輻射損耗的正確評估等問題；(2)如何選擇與設計可靠有效的超寬頻帶功率放大器線性提升技術、提取非線性特性、建立行之有效的多通道互耦(cross coupling)非線性建模與參數識別方法，以及如何精確地模擬和有效地消除通道之間的互耦非線性行為。提高PA效率的可行性方法如上文提及，而PA線性度的提升可以是對放大器轉移特性進行線性化，也可以說是使得PA整體的效率比功率回退時的效率要高。

采用負反饋技術的優勢是提高了PA的可靠性和穩定性，把反饋加于具有失真的放大器上，能減小系統的失真，但是系統的增益會降低。在基帶誤差放大器中常采用Cartesian反饋法(Cartesian Feedback)或者極化形式(polar)，它們能增加環路的增益，但環路的帶寬受到了限制，而且對記憶效應(負載和PVT的變化)也不敏感。因為它們采樣輸出失真(Sample output distortion)需要用足夠高的環路增益去抵消。

圖4 預失真原理圖

預失真技術也是提高線性度的一種好的方法，輸入信號經過預失真器，然后進入放大器，使得放大器和預失真器構成線性電路。如圖4所示，輸入信號與輸出信號分別經過預失真器和放大器，得到的信號比原始信號要低。其中基帶預失真(Baseband Predistortion，又稱數字預失真)相比射頻預失真(RF Predistortion)的電路復雜程度要高。RF預失真適合在衛星通信系統或蜂窩/PCN基站中應用，它能同時進入系統或者放大器的整個頻帶內。但是采用RF預失真也有局限，用自適應線模擬失真特性時，常需要調配，并且每個RF放大器都需要匹配，這會加大工作量，可以通過增加自動控制或者反饋系統進行改善。

前饋技術是在反饋的基礎上得到的，是執行方法不同的一種反饋。在帶寬、多載波線性化技術指標有要求的PA設計中，往往采用前饋技術[31]。與反饋技術相比，采用前饋校準不會降低PA的增益，而且它不與過去狀態關聯，是基于當前的狀態，最重要的是前饋環是無條件穩定的，而反饋系統中會存在潛在的不穩定性，影響系統的性能。前饋技術的缺點是未對器件性能隨溫度和時間的變化做出補償。

具體的幾種方法的比較如表1所示，用傳統的方法很難在仿真中體現出硬件環境，但是隨著DSP技術的不斷發展和越來越成熟，提高線性度的方法將得到進一步的改善。因此綜合比較下采用基帶預失真是理想的方案，將在5G提高PA線性度方面進一步應用。

表1 線性化方法之間的簡要比較[31]

3 結論

PA作為移動通信終端中耗能最大的部件，它的性能提升對于提高移動設備電池的續航時間，增進用戶的數據體驗服務和應對新一代移動通信5G的挑戰等都有著十分重大的意義。

GaN在電流截止頻率、震蕩頻率和擊穿電壓等方面都有一定的優勢，且具有較低的噪聲特性，采用GaN材料制作的器件相對于其他材料器件有特殊優勢，使之成為在高頻、高壓、大功率和高溫應用方面PA設計的首選，具有很大的應用前景。Doherty技術目前發展比較成熟，劃分好主PA和輔助PA分別起作用的閾值，采用合適的調制方式，把Doherty技術更好地應用在5G中，可提高基站收發信號的能力。隨著PA輸入信號功率的變大，PA內部的非線性往往阻礙著PA整體的性能，使得增益壓縮，綜合上文分析，采用基帶預失真的方法能夠滿足PA在5G發展中對線性度的要求。

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Research progress of RF power amplifier in 5G

Liu Jieyi, Wei Qidi, Zhang Guohao

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

RF power amplifier is a key module in the RF front end. The high frequency section of 5G mobile communication system employs millimeter wave power amplifier is the main trend at present. With the development of the mobile Internet and other business in 5G, it has proposed 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.

power amplifier; millimeter wave; linearity; 5G

TN722.7+5； TN323+.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.23.004

劉潔儀，魏啟迪，章國豪.射頻功率放大器在5G中的研究進展[J].微型機與應用，2017,36(23)：13-16.

廣東省領軍人才專項資助項目(400130002)

2017-05-12)

劉潔儀(1994- )，女 ，碩士研究生 ，主要研究方向：射頻、微波及毫米波單片集成電路及組件等。

魏啟迪(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：微波理論、現代微波天線的關鍵技術以及射頻功率放大器射頻產品。