淺析開關類功率放大器研究現狀

王測天 童 偉 呂繼平 鄔海峰* 林 倩

1.成都嘉納海威科技有限責任公司 四川 成都 610073

2.青海民族大學 青海 西寧 810007

1 引言

隨著環保意識的提升，節能減排收到持續關注，因此無線通信系統的節能技術成為運營商需要面對的核心問題。作為通信系統的重要部分，移動基站的節能理念已經成為業界共識。功率放大器(PA)是基站中最重要的組成部分，也是最耗能的模塊，因此提升PA效率是實現綠色基站的關鍵。隨著5G通信技術的成熟，PA不斷面臨著帶寬和效率指標的挑戰，開關類功放(SMPA)因其高效率特性成為了業內關注焦點。

根據PA不同的工作方式，可以將其分為不同種類。傳統的線性PA分為A、B、AB和C類，它們以不同的導通角來區分，并且線性度較高，但是效率較低。典型SMPA分為D、D-1、E、E-1、F、F-1類，以及衍生出了J類、連續F等類。理想狀態下典型SMPA的晶體管工作于開關狀態，其電壓和電流不存在重疊，功率耗散為零，由此可以達到理論上100%的效率。同時，效率和線性度往往是一對兩難兼顧的指標，由于SMPA的晶體管往往工作于飽和區，線性度較差，所以它更適合于調制對線性度要求較弱的恒包絡信號。

2 SMPA研究現狀分析

早在1958年D類功放就出現了，其結構與推挽B類功放很相似，可分為電壓型和電流型。電壓型D類PA采用晶體管固有的輸出電容充放電，其在高頻下晶體管的開關延時不可忽略，電壓和電流的重疊也不可避免。由于晶體管輸出電容是主要的損耗因素，這就使得該類功放更適用于低頻MHz頻段。電流型D類功放是在2001年由Kobayashi等人首次提出并實現的[1]，它可在高頻時實現高效率，這主要是因為其輸出端采用并聯的儲能電路代替串聯濾波網絡，晶體管輸出電容被并入輸出電路匹配網絡中，使得晶體管輸出電容不再是主要耗能因素，故電流型D類功放可工作于1GHz甚至更高的頻率。雖然D類功放有很多優點，但在更高頻條件下，推挽管功率合成的傳輸線變壓器會很難實現，加上晶體管導通電阻和串聯諧振元件的損耗，故D類功放在高頻領域并不適用，通常用于音頻放大作用。

由于D類功放并不適用于高頻領域。針對這個問題，在1975年由N.O.Sokal提出了E類功率放大器[2]。通過對開關的電壓波形整形，使開關在導通的瞬間，開關上的電壓和電壓變化的斜率都近似為0，功放管的漏極電壓和電流波形不出現交疊，從而使功放管的能耗為0。但是，E類功放對晶體管的要求十分苛刻，由于其漏極峰值電壓約為電源電壓的3.6倍，故其對功放管的耐壓性能要求很高，由此限制了E類功放的實際電路設計。在2005年，由T.Mury提出了一種新的E類功放對偶結構，即逆E類功率放大器[3]。這種結構的漏極峰值電壓較低，約為電源電壓的2.9倍，由此便降低了對功放管耐壓性的要求。

F類功率放大器其實是B類功率放大器的演變，是B類功放的一種深度調諧類型。它使用輸出濾波器對晶體管漏端電壓諧波或者電流諧波的成分進行控制，調整晶體管漏端的電壓波形或者電流波形，漏極電壓波形近似方波，電流近似為半正弦波，使得它們沒有重疊區，從而減小開關的損耗，提高功率放大器的效率。同時F類功放不需要開關驅動信號，在實際應用中有比E類功放高10%的效率和更低的電源電壓，從而使低功耗高效率成為了現實。正是由于這些因素，F類功放在無線系統應用中變得非常流行。逆F類功率放大器，是F類功放電流電壓波形的變換，即漏極電壓波形近似半正弦，電流近似為方波。

J類放大器最早源于2001年F.H.Raab在一篇論文[4]中的想法，隨后由S.C.Cripps在2006年首次提出了J類功率放大器的概念[5]。J類功率放大器是將功放管偏置在深度AB類接近B類放大器的狀態。同時，通過調整電路的結構單元使得晶體管的基頻輸出阻抗為復阻抗，并且二次諧波輸出阻抗為純電抗性。由于其接近B類狀態，其二次以上的諧波可以被Cds電容短路。而且，在基頻與二次諧波的共同作用下，J類功放的電壓輸出呈現出良好的半正弦波形。由于J類功放的基頻輸出阻抗為復阻抗，這就使漏極交流電壓可以免受膝點電壓影響，從而避免了跨導驟減帶來的非線性現象。

同J類功放相比較，連續F類功放最早源于2010年V.Carrubb在第40屆歐洲微波會議中發表的一篇論文[6]中的想法，隨后又在2011年發表了第一個寬帶高效的連續F類的論文[7]。對寬帶J類功放和F類功放的共同研究推進了連續F類放大器的發展。其核心問題就是通過設計優化基波負載阻抗的電抗虛部，同時改變輸出電路二次諧波阻抗相位響應模式，從而得到類似于典型F類放大器模式的設計方法。

3 總結

就目前的研究狀態來看，業界對于D、E、F類功放的研發較為成熟，然而Doherty技術仍然是目前高效、高線性功放的首選方案。各大晶體管生產商及基站架構設計公司的研發重點會明顯趨向于高效率、高線性度、寬帶的SMPA，如J類功放等。在未來通信領域的發展中，綠色基站已經成為一種趨勢。而開關類功放由于其高效寬帶等突出優點，必定會在各種“綠色基站”的解決方案中發揮重要的作用。