作者： Cree公司 Raymond Pengelly， Ryan Baker， Mattias Astrom和Joel L. Dawson

隨著無線通信的帶寬、用戶數目和地理覆蓋范圍的擴大，基站收發器的功率放大器部分對于更高效率的需求不斷增長。無線功率放大器所消耗的功率超過了基站運行所需功率的一半。通過提高效率來減少功耗具有多項優勢，首先，最明顯的優勢是降低了運營成本，同時，更少的廢熱意味著更低的設備冷卻需求和更高的可靠性。如果能夠減少對溫升問題的關注度，那么無線運營商為了應對4G和未來技術所帶來的無線數據使用量的大幅增加而選建設新基站時，其在選址方面會更加靈活。

圖1： 具有四種幅值級別的AMO調制技術的理論效率，對比兩級 AMO和 “一級”移相（或稱為LINC，即“具有非線性成分的線性放大”）。

但是，更高的效率要求4G無線信號擁有更寬帶寬和高線性，為了解決這個問題，最近新創企業Eta Devices正在為一項在麻省理工學院（MIT）開發的技術：非對稱多級移相（asymmetric multilevel outphasing， AMO）技術進行商業化開發。此AMO技術將移相技術的高線性配備了提升效率、多級別、分立開關的漏極偏置電壓。分立開關漏極偏置電壓是支持寬帶寬、同時保持高效率的關鍵所在，而這也是這項技術超越傳統包絡跟蹤技術的最大優勢。圖 1 顯示了AMO技術如何實現效率提升，超越單獨的移相技術。

在任何移相系統中，最大化的效率是通過單個功率放大器的性能獲取的。在大功率放大器設計中，Eta Devices公司使用GaN HEMT器件，這種器件的實際峰值漏極效率超過了80%。選用GaN技術是因為其具有相比現有硅器件的更好性能，后者在相同條件下峰值漏極效率僅勉強超過70%。

配合高性能RF放大器，電源開關系統必須針對具有最小瞬變的低損耗開關而優化，系統的時序是非常重要的，這就需要管理每個信號和控制路徑中的延遲。一旦正確地同步，Eta Devices的專有數字預失真（DPD）技術就成為了實現4G系統的嚴苛相鄰信道功率比 （ACPR）規范的關鍵。這種架構已經在多種功率級別和應用中實施，包括用于手機和WLAN傳送器的1W PA（功率放大器）到用于基站的100W PA，并使用了多種半導體材料如GaN、GaA和硅材料。

AMO對比ET工作

目前，業界有兩種眾所周知通過非線性功率放大器來實現線性放大的方法，就是移相 （outphasing） 和包絡跟蹤（ET）。移相使用了兩個在恒幅下工作的相位調制放大器，輸入信號可轉換為特征相位并送至放大器，其輸出是組合的，以便相位成分的增強和刪除能夠準確復制輸入的信號。在實踐中，移相需要功率組合器，能夠為每個PA提供一致的負載；在放大器之間實現隔離，并提供大功率處理能力。這些特性可能難以實現，尤其是在寬頻帶上。移相的另一個限制就是具有高峰值平均功率比 （peak-to-average power ratio）（低平均功率輸出）的信號會導致效率降低，因為阻性負載浪費并消耗了許多放大器功率。

ET將RF信號分成單獨的相位角和振幅成分。PA在飽和模式下工作，通常為開關模式之一，例如Class E。相位調制應用于RF驅動，而為PA供電的DC電源則通過振幅包絡進行調制，因此相位和振幅同時在輸出端還原。盡管ET非常普及，但它仍然受到4G和WLAN標準越來越多的帶寬要求的挑戰。對于ET來說，問題的關鍵是電源調制器，必須在許多不同的性能方面有所提升。它必須處理大量功率、效率很高、具有高線性度、具有高分辨率、在系統中幾乎不產生噪聲，并且支持寬頻調制。現代的無線標準需要增加帶寬而不放松任何其它性能要求，使得只采用ET技術的方案的未來前景受到懷疑。

移相和包絡跟蹤的設計挑戰已由AMO解決，后者結合了移相和包絡跟蹤的最合適特性來改進性能。圖2所示為AMO方框圖，圖2a顯示了基本功能；圖2b闡述了典型的實施方案。它從信號處理開始，提供相位調制信號給功率放大器，而功率放大器具有多級電源調制器。放大了的信號的輸出結合了保持非線性PA高效率的高線性度。

圖2： AMO方框圖。

AMO解決方案的物理特性有利于在高效率下實現高帶寬調制，但它是以在此AMO實施核心的非傳統DPD方案為代價來實現的。雖然DPD架構是非傳統的，但所需要的計算資源與傳統DPD的并無不同。因此，它沒有產生與增加了的數字復雜性相關的隱藏功率成本，所以不會損害總體效率的增益。總之，AMO允許權衡解決移相和包絡跟蹤行為的限制，從而實現了在每個方面都具有最佳特性的系統。

圖4： Class E GaN放大器照片。

GaN器件和PA設計

核心開關模式（switch-mode） PA的效率決定了移相、ET和AMO等技術的最大系統效率。對于現有的無線通訊放大器，大多數最高效率的生產器件都采用GaN工藝來生產。例如，在麻省理工學院（MIT） （注2）開發的原型中使用的GaN HEMT器件（注1）？，它們在最大飽和輸出功率上規定了65% （3.6 GHz） 和 》 70% （2 GHz） 的典型效率。圖3所示為PA電路圖，而圖4是已組裝的放大器照片。對于AMO應用，PA經設計在整個由階梯式開關電源調制器提供的漏極電壓范圍具有良好的性能。

整體性能

一個完整的傳送器（參見圖5）包含了幾種附加的系統成分。基帶I和Q信號被傳送至采用FPGA實現的數字預失真（DPD）和調制信號處理器中。在此系統中，DPD通過查找表來實現，該表是以PA上傳送器在不同組合DC電平所測出的靜態非線性特性來建立的。移相信道相位調制數據被傳送到兩個PA的數模轉換器和相位調制器。振幅調制數據，以及粗略的延遲校正則驅動電源調制器電路。RF前置放大器提供了必需的驅動電平，而在輸出端，組合器將PA輸出匯總到一個RF輸出中。

圖5： 測試傳送器方框圖。

性能總結

AMO將單獨采用移相和包絡跟蹤其中一種方法時所得的理想屬性相結合。圖6所示為四級AMO測試傳送器的效率與帶寬性能對比。AMO系統架構使用Class E GaN PA，與最新的DPD方案相結合，在1MHz帶寬上提供了平均70%的已調制漏極效率，而在20MHz帶寬上僅輕微降至68%。電源調制器損耗已包含在這一效率測量中。

圖6： 在2.14GHz、100W峰值功率、7dB PAPR和ACPR 》 45dBc上的效率與帶寬對比。

圖7顯示了采用最新DPD方案的相鄰信道中的頻譜能量。在20MHz信道帶寬上，ACPR性能大于54dBc，同時可保持68%的效率。效率與功率回退 （backoff）對比測量數據如圖8所示。雖然在最大平均輸出功率上，這些器件具有70%的已調制漏極效率 （包括調制器損耗），但在功率回退上的性能可以說是更重要的。這是因為網絡運營商幾乎從來不在最大平均輸出功率上運行他們的基站。相反地，它們通常以最大值的30至50% 工作。圖8顯示，對于最大平均功率的10dB功率回退，該器件系統僅損失10%的效率。對于具有7dB PAPR的信號，這實際上從峰值功率上回退了17dB。

圖7： 20MHz BW， 7dB PAPR傳送的頻譜性能，載波頻率為2.14GHz，輸出功率為100W峰值。

圖8： 在功率回退下的測量效率 （ACPR 》 45dBc）。圖中顯示了四個單獨的漏極電壓，虛線說明了在整個功率回退范圍上四級AMO如何達到系統效率。

這項技術正繼續擴展其能力，專注于支持LTE和MC-GSM，實現軟件定義無線電，并且迎接擴展的帶寬標準比如WLAN的挑戰。

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