雙驅動功率放大器——功率放大的下一個前沿

Sanghoon Lee, James Kaney and Edgar Garay, Falcomm

現代功率放大器（PA）有望通過OFDM支持高階調制信號（如256-/1024-/4096-QAM），提高峰均功率比（PAPR）。然而，高PAPR會導致在當前的PA拓撲結構下，輸出的平均PAE（功率增加效率）低于預期。這就是問題所在，PA既是先進通信系統的推動者，又是限制者。

雖然PA可以用于高階調制方案，但它可能會低效地消耗無線通信系統內的大部分功率，其中大部分浪費的能量以熱量的形式耗散了。鑒于日益嚴格的通信協議和要求，高性能PA對于成功和快速采用下一代商業通信網絡至關重要。

提高PA的效率可以大大有利于整個無線通信市場，包括移動設備、可穿戴設備、蜂窩基站、手機、雷達和其他新興市場。

目前的PA拓撲結構

對更高效、更線性的PA的需求推動了廣泛的研究，以改善器件的性能，例如提高晶體管的fmax/ft。3 此外，線路后端工藝的改進，如更厚和更低損耗的頂部金屬層，提高了無源元件的性能，這使得效率和輸出功率得到進一步提高。4

然而，晶體管器件增加的fmax/ft指標并不一定能改善PA的性能，因為通常情況下，較小的光刻節點具有減少的電壓開銷和較小的擊穿限制，使器件的性能和可靠性需要權衡。

關于電路拓撲結構的改進，到目前為止，幾乎所有的PA都依賴于共源或共柵拓撲結構，并且主要側重于通過向PA的輸出呈現多諧波負載來提高峰值/功率回退（PBO）、PAE和最大輸出功率（Pout），正如在F類、J類及其逆向和連續模式操作中完成的那樣。5

近年來，有一種拓撲結構得到了普及，那就是諧波調諧的PA及其不同的變種。這種拓撲結構利用了在基本頻率和一些諧波處添加負載的優勢，以提高放大器的最大PAE。大多數現代技術的fmax/ft在100至300GHz之間。因此，在毫米波下，諧波含量可能不足以使效率得到重大改善。此外，可以提供諧波調諧的無源網絡往往是復雜和有損的，進一步阻礙了效率的提高。即使這種技術顯示出低到中等的效率改善，但前面提到的缺點阻礙了它的商業應用。

最近的工作還集中在進一步提高基于電路拓撲結構的效率，這些拓撲結構可以支持復雜的調制方法，如堆疊、出相位、混合信號、可重構和Doherty PA。6,7 然而，在納米級的現代硅工藝中，每個堆疊晶體管的電源電壓低于1V（級聯器件為2V），因為晶體管膝電壓Vknee成為電源電壓的重要部分，這些報道的技術在PAE和Pout上的回報率越來越小。此外，在實際部署中經常看到電源電壓的額外減少，以確保器件的可靠性。

這對于毫米波陣列尤其重要，因為陣列單元耦合會導致大量的天線阻抗失配（VSWR）和不希望出現的PA輸出電壓/電流大波動。盡管所報道的技術提高了毫米波下的整體PA效率，但在不借助較低的傳導角或諧波整形時，其工作原理在理論上無法超越B類共源拓撲結構的線性模式PA的核心效率。

除了固態技術之外，行波管（TWT）放大器由于其高功率和高效率（大于90%）而被普遍用于衛星收發機。然而，行波管放大器非常笨重，外形尺寸橫跨幾十厘米，并且由于在更高頻率（大于1GHz）下基于陣列架構的天線尺寸和間距要求更小，其無法用于現代通信系統。

因此，超高效的大功率毫米級固態PA對于下一代通信網絡的成功和快速部署至關重要，因為它們在收發器功率效率、熱管理要求和整體通信信道性能方面優于其他方案。

PA的效率考慮因素

圖1顯示了已公布的20至50GHz范圍內的PA的Psat與PAEmax。8 在Psat和PAEmax之間有一個固有的權衡。此外，存在兩個由Psat劃分的功率/效率區域。在紅色區域，效率受技術或器件性能的限制，在一定程度上受拓撲結構的限制。在藍色區域，通過采用不同的功率合路技術來實現功率的增加，因此，效率受限于合路器輸出網絡的損失。這表明在飽和輸出功率和最大效率之間有一個明顯的權衡。

圖1 已公布的20至50GHz PA的飽和輸出功率與最大PAE。

編輯：黃飛

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