GaN組件和AMO技術(shù)實(shí)現更高效率與寬帶

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信的帶寬、用戶(hù)數目以及地理覆蓋范圍擴展，基地臺收發(fā)器的功率放大器(PA) 部份對于更高效率的需求也不斷成長(cháng)。無(wú)線(xiàn)功率放大器所消耗的功率超過(guò)了基地臺運作所需功率的一半。透過(guò)提高效率來(lái)減少功耗具有多項優(yōu)勢，首先，最明顯的好 處是降低運營(yíng)成本；同時(shí)，更少的熱意味著(zhù)更低的設備冷卻需求以及更高的可靠性。如果能夠減少對于溫度升高問(wèn)題的關(guān)注度，那么無(wú)線(xiàn)業(yè)者在因應4G和下一代技 術(shù)帶來(lái)無(wú)線(xiàn)資料用量大幅增加而定位建設新基地臺時(shí)，會(huì )有更大的彈性。

更高的效率需要4G無(wú)線(xiàn)訊號擁有更寬的頻帶和高線(xiàn)性度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，最近新創(chuàng )企業(yè)Eta Devices正為一項在麻省理工學(xué)院(MIT)開(kāi)發(fā)的技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化開(kāi)發(fā)——‘非對稱(chēng)多級移相’(asymmetric multilevel outphasing；AMO)技術(shù)。AMO技術(shù)結合了移相技術(shù)的高線(xiàn)性度以及高效率、多層級、獨立開(kāi)關(guān)的漏極偏置電壓。獨立開(kāi)關(guān)漏極偏置電壓是支持寬帶寬、同時(shí)保持高效率的關(guān)鍵所在，也是這項技術(shù)超越傳統封包追蹤技術(shù)的最大優(yōu)勢。圖1顯示AMO技術(shù)如何實(shí)現效率提升，超越單獨的移相技術(shù)。

圖1：具有四種不同振幅級的AMO調變技術(shù)效率理論值，以及雙級AMO和單級移相(或稱(chēng)LINC——具非線(xiàn)性成份的線(xiàn)性放大)。

在任何移相系統中，最大化的效率可經(jīng)由單一功率放大器的性能而取得。在高功率放大器設計中，Eta Devices公司使用實(shí)際峰值漏極效率超過(guò)80%的GaN HEMT組件，因為它具有相比現有硅晶組件更好的性能——硅晶組件在相同條件下的峰值漏極效率僅勉強超過(guò)70%。

配合高性能 RF放大器，電源開(kāi)關(guān)系統必須針對具有最小瞬變的低損耗開(kāi)關(guān)而優(yōu)化，系統的時(shí)序是非常重要的，它需要管理每個(gè)訊號和控制路徑中的延遲。一旦正確地進(jìn)行同 步，Eta Devices的專(zhuān)有數字預失真(DPD)技術(shù)就成為實(shí)現4G系統相鄰信道功率比(ACPR)規范的關(guān)鍵。這種架構已經(jīng)建置于多種功率級和應用中，包括用 于手機和WLAN傳送器的1W PA到用于基地臺的100W PA，并使用多種半導體材料如GaN、GaA和硅晶材料。

AMO與ET技術(shù)比較

目前有兩種透過(guò)非線(xiàn)性功率放大器實(shí)現線(xiàn)性放大功能的常用方法——移相(outphasing)和封包追蹤(ET)。移相法使用兩種作業(yè)于?定振幅的相位調變 放大器，其輸入訊號可轉換為合適的相位并送至放大器，而其輸出訊號則經(jīng)由組合使訊號中相位成份的增強與刪除能夠準確復制輸入訊號。實(shí)際上，移相法需要功率 組合器為每個(gè)PA提供一致的負載，在放大器之間實(shí)現隔離，并提供高功率處理能力。這些特性可能難以實(shí)現，特別是在寬帶帶上。移相法的另一個(gè)限制是具有高峰 值平均功率比(peak-to-average power ratio；低平均功率輸出)的訊號導致效率降低，因為電阻負載耗用許多放大器功率。

ET 法則將RF訊號分成單獨的相位角和振幅成分。PA在飽和模式下作業(yè)，通常是開(kāi)關(guān)模式之一，例如Class E。相位調變應用于RF驅動(dòng)，而為PA供電的DC電源則經(jīng)由振幅封包進(jìn)行調變，因而使相位和振幅同時(shí)在輸出端還原。盡管ET非常普及，但仍然受到4G和 WLAN標準帶寬持續增加需求的挑戰。對于ET來(lái)說(shuō)，問(wèn)題的關(guān)鍵在于電源調變器，必須在許多不同的性能方面有所提升。它必須能處理大量功率且極具高效率、 高線(xiàn)性度、高分辨率，以及幾乎不為系統帶來(lái)任何噪聲，而且支持寬帶調變?，F代的無(wú)線(xiàn)標準必須不斷地增加帶寬而不折衷任何性能，使得只采用ET技術(shù)的方案前 景受到質(zhì)疑。

AMO由于結合了移相和ET技術(shù)中提升性能時(shí)最需要的特性，因而能夠用于解決移相和封包追蹤案的設計挑戰。圖2 顯示AMO的方塊圖，其中圖2a是基本功能，圖2b則描述典型的建置方案。它首先從訊號處理開(kāi)始，即為具有多級電源調變器的PA提供相位調變訊號。其輸出 結合高線(xiàn)性度的放大訊號，從而維持非線(xiàn)性PA的高效率。

圖2：AMO技術(shù)方塊圖

盡管AMO解決方案的實(shí)體特性有利于在高效率下實(shí)現高帶寬調變，但卻可能犧牲在此AMO建置核心的非傳統DPD方案。雖然DPD架構是非傳統的，但所需的運 算資源與傳統DPD的并無(wú)不同。因此，它并不至于因為數字復雜度提高而導致可能損害總效率增益的潛在功率成本。AMO容許某種權衡折衷，以解決移相和封包 追蹤行為的限制，從而實(shí)現在各方面都具有最佳特性的系統。

圖3：10W Class E 1.95GHz測試電路原理圖。

GaN組件和PA設計

核心的開(kāi)關(guān)模式(switch-mode)PA效率決定了移相、ET和AMO等技 術(shù)的最高系統效率。對于目前的無(wú)線(xiàn)通信放大器來(lái)說(shuō)，大多數最高效率的產(chǎn)品組件都采用GaN制程來(lái)生產(chǎn)。例如美國麻省理工學(xué)院(MIT)開(kāi)發(fā)的原型中使用的 GaN HEMT組件在最大飽和輸出功率時(shí)規定65%(3.6GHz)和>70%(2GHz)的典型效率。圖3顯示PA的電路圖，圖4則是組裝的放大器照 片。對于A(yíng)MO應用來(lái)說(shuō)，PA的設計目的是在整個(gè)由階梯式開(kāi)關(guān)電源調變器提供的漏極電壓范圍內具有良好的性能。

圖4：Class E GaN放大器照片。

整體性能

一 個(gè)完整的傳送器(參見(jiàn)圖5)包含幾種額外的系統組成?；lI和Q訊號被傳送至采用FPGA建置的DPD和調變訊號處理器中。在此系統中，DPD采用查找表 來(lái)進(jìn)行建置，該查找表是由PA上的傳送器針對不同DC電平組合所測得的靜態(tài)非線(xiàn)性所建構的。移相信道相位調變數據被傳送到兩個(gè)PA的數字模擬轉換器 (DAC)和相位調變器。振幅調變數據以及粗略延遲校正則用于驅動(dòng)電源調變器電路。RF前置放大器提供必要的驅動(dòng)電平，而在輸出端，組合器將PA輸出匯整 至一個(gè)RF輸出中。

圖5：測試傳送器方塊圖。

性能總結

AMO結合了移相和ET技術(shù)在單獨使用時(shí)所需的特性。圖6顯示四級AMO測試傳送器的效率與寬帶性能。AMO系統架構使用Class E GaN PA，結合最新的DPD建置，在1MHz帶寬提供平均70%的調變漏極效率，而在20MHz帶寬上僅微幅降至68%的效率。在這一效率測量中還包括了電源調變器損耗。

圖6：在2.14GHz、100W峰值功率、7dB PAPR和ACPR>45dBc時(shí)的效率與帶寬比較。

圖7顯示了采用最新DPD建置時(shí)相鄰通道中的頻譜能量。在20MHz信道帶寬時(shí)，ACPR性能大于54dBc，同時(shí)可保持在68%的效率。效率與功率回退 (backoff)比較的測量數據如圖8所示。雖然這些組件在最大平均輸出功率上具有70%的調變漏極效率 (包括調變器損耗)，但在功率回退時(shí)的性能可說(shuō)是更重要的。這是因為電信業(yè)者的基地臺幾乎從來(lái)不會(huì )在最大平均輸出功率時(shí)運作。相反地，它們通常以最大值的 30至50%效率工作。圖8顯示，對于最大平均功率的10dB功率回退，該組件系統僅損失10%的效率。針對具有7dB PAPR的訊號，實(shí)際上則是從峰值功率上回退了17dB。

圖7：20MHz帶寬、7dB PAPR傳送時(shí)的頻譜性能，載波頻率為2.14GHz，輸出功率峰值為100W。

圖8：在功率回退時(shí)的測量效率(ACPR>45dBc)。圖中顯示四個(gè)單獨的漏極電壓，以虛線(xiàn)說(shuō)明四級AMO如何在整個(gè)功率回退范圍時(shí)達到系統效率。8。

這項技術(shù)正繼續擴展其能力，專(zhuān)注于支持LTE和MC-GSM，以實(shí)現軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)，同時(shí)迎接WLAN等持續擴展中的寬帶標準挑戰。