GaN器件和AMO技術(shù)推動(dòng)實(shí)現高效率和寬帶寬

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信的帶寬、用戶(hù)數目和地理覆蓋范圍的擴大，基站收發(fā)器的功率放大器部分對于更高效率的 需求不斷增長(cháng)。無(wú)線(xiàn)功率放大器所消耗的功率超過(guò)了基站運行所需功率的一半。通過(guò)提高效率來(lái)減少功耗具有多項優(yōu)勢，首先，最明顯的優(yōu)勢是降低了運營(yíng)成本，同 時(shí)，更少的廢熱意味著(zhù)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(wèn)題的關(guān)注度，那么無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商為了應對4G和未來(lái)技術(shù)所帶來(lái)的無(wú)線(xiàn)數據使用量 的大幅增加而選建設新基站時(shí)，其在選址方面會(huì )更加靈活。

圖1: 具有四種幅值級別的AMO調制技術(shù)的理論效率，對比兩級 AMO和 “一級”移相(或稱(chēng)為L(cháng)INC，即“具有非線(xiàn)性成分的線(xiàn)性放大”)。

但是，更高的效率要求4G無(wú)線(xiàn)信號擁有更寬帶寬和高線(xiàn)性，為了解決這個(gè)問(wèn)題，最近新創(chuàng )企業(yè)Eta Devices正在為一項在麻省理工學(xué)院(MIT)開(kāi)發(fā)的技術(shù)：非對稱(chēng)多級移相(asymmetric multilevel outphasing, AMO) 技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化開(kāi)發(fā)。此AMO技術(shù)將移相技術(shù)的高線(xiàn)性配備了提升效率、多級別、分立開(kāi)關(guān)的漏極偏置電壓。分立開(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，而這也是這項技術(shù)超越傳統包絡(luò )跟蹤技術(shù)的最大優(yōu)勢。圖1顯示了AMO技術(shù)如何實(shí)現效率提升，超越單獨的移相技術(shù)。

在任何移相系統中，最大化的效率是通過(guò)單個(gè)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(shí)際峰值漏極效率超過(guò)了80%。選用GaN技術(shù)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(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，這就需要管理每個(gè)信號和控制路徑中的延遲。一旦正確地同步，Eta Devices的專(zhuān)有數字預失真(DPD)技術(shù)就成為了實(shí)現4G系統的嚴苛相鄰信道功率比 (ACPR)規范的關(guān)鍵。這種架構已經(jīng)在多種功率級別和應用中實(shí)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(yè)界有兩種眾所周知通過(guò)非線(xiàn)性功率放大器來(lái)實(shí)現線(xiàn)性放大的方法，就是移相 (outphasing) 和包絡(luò )跟蹤(ET)。移相使用了兩個(gè)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(shí)踐中，移相需要功率組合器，能夠為每個(gè)PA提供一致的負載；在放大器之間實(shí)現隔離，并提供大功率處理能力。這些特性可能難以實(shí) 現，尤其是在寬頻帶上。移相的另一個(gè)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(huì )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(kāi)關(guān)模式之一，例如Class E。相位調制應用于RF驅動(dòng)，而為PA供電的DC電源則通過(guò)振幅包絡(luò )進(jìn)行調制，因此相位和振幅同時(shí)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(lái)越多的帶寬要求的挑戰。對于ET來(lái)說(shuō)，問(wèn)題的關(guān)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(xiàn)性度、具有高分辨率、在系統中幾乎不產(chǎn)生噪聲，并且支持寬頻調制?，F代的無(wú)線(xiàn)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(shù)的方案的 未來(lái)前景受到懷疑。

移相和包絡(luò )跟蹤的設計挑戰已由AMO解決，后者結合了移相和包絡(luò )跟蹤的最合適特性來(lái)改進(jìn)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(shí)施方案。它從信號處理開(kāi)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(xiàn)性PA高效率的高線(xiàn)性度。

圖2: AMO方框圖。