基本概念
射頻功率放大器(RF PA)是發(fā)射系統中的主要部分，其重要性不言而喻。在發(fā)射機的前級電路中，調制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號功率很小，需要經(jīng)過(guò)一系列的放大（緩沖級、中間放大級、末級功率放大級）獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線(xiàn)上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。在調制器產(chǎn)生射頻信號后，射頻已調信號就由RF PA將它放大到足夠功率，經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò )，再由天線(xiàn)發(fā)射出去。
放大器的功能，即將輸入的內容加以放大并輸出。輸入和輸出的內容，我們稱(chēng)之為“信號”，往往表示為電壓或功率。對于放大器這樣一個(gè)“系統”來(lái)說(shuō)，它的“貢獻”就是將其所“吸收”的東西提升一定的水平，并向外界“輸出”。如果放大器能夠有好的性能，那么它就可以貢獻更多，這才體現出它自身的“價(jià)值”。如果放大器存在著(zhù)一定的問(wèn)題，那么在開(kāi)始工作或者工作了一段時(shí)間之后，不但不能再提供任何“貢獻”，反而有可能出現一些不期然的“震蕩”，這種“震蕩”對于外界還是放大器自身，都是災難性的。
射頻功率放大器的主要技術(shù)指標是輸出功率與效率，如何提高輸出功率和效率,是射頻功率放大器設計目標的核心。通常在射頻功率放大器中，可以用LC諧振回路選出基頻或某次諧波，實(shí)現不失真放大。除此之外，輸出中的諧波分量還應該盡可能地小，以避免對其他頻道產(chǎn)生干擾。
?分類(lèi)
根據工作狀態(tài)的不同，功率放大器分類(lèi)如下：
?傳統線(xiàn)性功率放大器的工作頻率很高，但相對頻帶較窄，射頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò )作為負載回路。射頻功率放大器可以按照電流導通角的不同，分為甲（A）、乙（B）、丙（C）三類(lèi)工作狀態(tài)。甲類(lèi)放大器電流的導通角為360°，適用于小信號低功率放大，乙類(lèi)放大器電流的導通角等于180°，丙類(lèi)放大器電流的導通角則小于180°。乙類(lèi)和丙類(lèi)都適用于大功率工作狀態(tài)，丙類(lèi)工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類(lèi)，但丙類(lèi)放大器的電流波形失真太大，只能用于采用調諧回路作為負載諧振功率放大。由于調諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。
開(kāi)關(guān)型功率放大器（Switching Mode PA,SMPA)，使電子器件工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，常見(jiàn)的有?。―）類(lèi)放大器和戊（E）類(lèi)放大器，丁類(lèi)放大器的效率高于丙類(lèi)放大器。SMPA將有源晶體管驅動(dòng)為開(kāi)關(guān)模式，晶體管的工作狀態(tài)要么是開(kāi)，要么是關(guān)，其電壓和電流的時(shí)域波形不存在交疊現象，所以是直流功耗為零，理想的效率能達到100%。
傳統線(xiàn)性功率放大器具有較高的增益和線(xiàn)性度但效率低，而開(kāi)關(guān)型功率放大器具有很高的效率和高輸出功率，但線(xiàn)性度差。具體見(jiàn)下表：
?電路組成
放大器有不同類(lèi)型，簡(jiǎn)化之，放大器的電路可以由以下幾個(gè)部分組成：晶體管、偏置及穩定電路、輸入輸出匹配電路。
?1-1、晶體管
晶體管有很多種，包括當前還有多種結構的晶體管被發(fā)明出來(lái)。本質(zhì)上，晶體管的工作都是表現為一個(gè)受控的電流源或電壓源，其工作機制是將不含內容的直流的能量轉化為“有用的”輸出。直流能量乃是從外界獲得，晶體管加以消耗，并轉化成有用的成分。不同的晶體管不同的“能力”，比如其承受功率的能力有區別，這也是因為其能獲取的直流能量的能力不同所致；比如其反應速度不同，這決定它能工作在多寬多高的頻帶上；比如其面向輸入、輸出端的阻抗不同，及對外的反應能力不同，這決定了給它匹配的難易程度。
1-2、偏置電路及穩定電路
偏置和穩定電路是兩種不同的電路，但因為他們往往很難區分，且設計目標趨同，所以可以放在一起討論。
晶體管的工作需要在一定的偏置條件下，我們稱(chēng)之為靜態(tài)工作點(diǎn)。這是晶體管立足的根本，是它自身的“定位”。每個(gè)晶體管都給自己進(jìn)行了一定的定位，其定位不同將決定了它自身的工作模式，在不同的定位上也存在著(zhù)不同的性能表現。有些定位點(diǎn)上起伏較小，適合于小信號工作；有些定位點(diǎn)上起伏較大，適合于大功率輸出；有些定位點(diǎn)上索取較少，釋放純粹，適合于低噪聲工作；有些定位點(diǎn)，晶體管總是在飽和和截至之間徘徊，處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)。一個(gè)恰當的偏置點(diǎn)，是正常工作的礎。在設計寬帶功率放大器時(shí)，或工作頻率較高時(shí)，偏置電路對電路性能影響較大，此時(shí)應把偏置電路作為匹配電路的一部分考慮。
偏置網(wǎng)絡(luò )有兩大類(lèi)型，無(wú)源網(wǎng)絡(luò )和有源網(wǎng)絡(luò )。無(wú)源網(wǎng)絡(luò )(即自偏置網(wǎng)絡(luò ))通常由電阻網(wǎng)絡(luò )組成，為晶體管提供合適的工作電壓和電流。它的主要缺陷是對晶體管的參數變化十分敏感，并且溫度穩定性較差。有源偏置網(wǎng)絡(luò )能改善靜態(tài)工作點(diǎn)的穩定性，還能提高良好的溫度穩定性，但它也存在一些問(wèn)題，如增加了電路尺寸、增加了電路排版的難度以及增加了功率消耗。
穩定電路一定要在匹配電路之前，因為晶體管需要將穩定電路作為自身的一部分存在，再與外界接觸。在外界看來(lái)，加上穩定電路的晶體管，是一個(gè)“全新的”晶體管。它做出一定的“犧牲”，獲得了穩定性。穩定電路的機制能夠保證晶體管順利而穩定的運轉。
1-3、輸入輸出匹配電路
匹配電路的目的是在選擇一種接受的方式。對于那些想提供更大增益的晶體管來(lái)說(shuō)，其途徑是全盤(pán)的接受和輸出。這意味著(zhù)通過(guò)匹配電路這一個(gè)接口，不同的晶體管之間溝通更加順暢，對于不同種的放大器類(lèi)型來(lái)說(shuō)，匹配電路并不是只有“全盤(pán)接受”一種設計方法。一些直流小、根基淺的小型管，更愿意在接受的時(shí)候做一定的阻擋，來(lái)獲取更好的噪聲性能，然而不能阻擋過(guò)了頭，否則會(huì )影響其貢獻。而對于一些巨型功率管，則需要在輸出時(shí)謹小慎微，因為他們更不穩定，同時(shí)，一定的保留有助于他們發(fā)揮出更多的“不扭曲的”能量。
典型的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )有L匹配、π形匹配和T形匹配。其中L匹配，其特點(diǎn)就是結構簡(jiǎn)單且只有兩個(gè)自由度L和C。一旦確定了阻抗變換比率和諧振頻率，網(wǎng)絡(luò )的Q值（帶寬）也就確定了。π形匹配網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是不管什么樣的寄生電容，只要連接到它，都可以被吸到網(wǎng)絡(luò )中，這也導致了π形匹配網(wǎng)絡(luò )的普遍應用，因為在很多的實(shí)際情況中，占支配地位的寄生元件是電容。T形匹配，當電源端和負載端的寄生參數主要呈電感性質(zhì)時(shí)，可用T形匹配來(lái)把這些寄生參數吸收入網(wǎng)絡(luò )。
確保射頻PA穩定的實(shí)現方式
每一個(gè)晶體管都是潛在不穩定的。好的穩定電路能夠和晶體管融合在一起，形成一種“可持續工作”的模式。穩定電路的實(shí)現方式可劃分為兩種：窄帶的和寬帶的。
窄帶的穩定電路是進(jìn)行一定的增益消耗。這種穩定電路是通過(guò)增加一定的消耗電路和選擇性電路實(shí)現的。這種電路使得晶體管只能在很小的一個(gè)頻率范圍內貢獻。另外一種寬帶的穩定是引入負反饋。這種電路可以在一個(gè)很寬的范圍內工作。
不穩定的根源是正反饋，窄帶穩定思路是遏制一部分正反饋，當然，這也同時(shí)抑制了貢獻。而負反饋做得好，還有產(chǎn)生很多額外的令人欣喜的優(yōu)點(diǎn)。比如，負反饋可能會(huì )使晶體管免于匹配，既不需要匹配就可以與外界很好的接洽了。另外，負反饋的引入會(huì )提升晶體管的線(xiàn)性性能。
射頻PA的效率提升技術(shù)
晶體管的效率都有一個(gè)理論上的極限。這個(gè)極限隨偏置點(diǎn)（靜態(tài)工作點(diǎn)）的選擇不同而不同。另外，外圍電路設計得不好，也會(huì )大大降低其效率。目前工程師們對于效率提升的辦法不多。這里僅講兩種：包絡(luò )跟蹤技術(shù)與Doherty技術(shù)。
包絡(luò )跟蹤技術(shù)的實(shí)質(zhì)是：將輸入分離為兩種：相位和包絡(luò )，再由不同的放大電路來(lái)分別放大。這樣，兩個(gè)放大器之間可以專(zhuān)注的負責其各自的部分，二者配合可以達到更高的效率利用的目標。
Doherty技術(shù)的實(shí)質(zhì)是：采用兩只同類(lèi)的晶體管，在小輸入時(shí)僅一個(gè)工作，且工作在高效狀態(tài)。如果輸入增大，則兩個(gè)晶體管同時(shí)工作。這種方法實(shí)現的基礎是二只晶體管要配合默契。一種晶體管的工作狀態(tài)會(huì )直接的決定了另一支的工作效率。
射頻PA面臨的測試挑戰
功率放大器是無(wú)線(xiàn)通信系統中非常重要的組件，但他們本身是非線(xiàn)性的，因而會(huì )導致頻譜增生現象而干擾到鄰近通道，而且可能違反法令強制規定的帶外（out-of-band）放射標準。這個(gè)特性甚至會(huì )造成帶內失真，使得通信系統的誤碼率（BER）增加、數據傳輸速率降低。
在峰值平均功率比（PAPR）下，新的OFDM傳輸格式會(huì )有更多偶發(fā)的峰值功率，使得PA不易被分割。這將降低頻譜屏蔽相符性，并擴大整個(gè)波形的EVM及增加BER。為了解決這個(gè)問(wèn)題，設計工程師通常會(huì )刻意降低PA的操作功率。很可惜的，這是非常沒(méi)有效率的方法，因為PA降低10%的操作功率，會(huì )損失掉90%的DC功率。
現今大部分的RF PA皆支持多種模式、頻率范圍及調制模式，使得測試項目變得更多。數以千計的測試項目已不稀奇。波峰因子消減（CFR）、數字預失真（DPD）及包絡(luò )跟蹤（ET）等新技術(shù)的運用，有助于將PA效能及功率效率優(yōu)化，但這些技術(shù)只會(huì )使得測試更加復雜，而且大幅延長(cháng)設計及測試時(shí)間。增加RF PA的帶寬，將導致DPD測量所需的帶寬增加5倍（可能超過(guò)1 GHz），造成測試復雜性進(jìn)一步升高。
依趨勢來(lái)看，為了增加效率，RF PA組件及前端模塊（FEM）將更緊密整合，而單一FEM則將支持更廣泛的頻段及調制模式。將包絡(luò )跟蹤電源供應器或調制器整合入FEM，可有效地減少移動(dòng)設備內部的整體空間需求。為了支持更大的操作頻率范圍而大量增加濾波器/雙工器插槽，會(huì )使得移動(dòng)設備的復雜度和測試項目的數量節節攀升。
半導體材料的變遷：
Ge(鍺)、Si(硅)→→→GaAs(砷化鎵)、InP(磷化銦)→→→SiC(碳化硅)、GaN(氮化鎵)、SiGe(鍺化硅)、SOI(絕緣層上覆硅) →→→碳納米管(CNT) →→→石墨烯(Graphene)。
目前功率放大器的主流工藝依然是GaAs工藝。另外，GaAs HBT，砷化鎵異質(zhì)結雙極晶體管。其中HBT（heterojunction bipolar transistor，異質(zhì)結雙極晶體管）是一種由砷化鎵(GaAs)層和鋁鎵砷(AlGaAs)層構成的雙極晶體管。
CMOS工藝雖然已經(jīng)比較成熟，但Si CMOS功率放大器的應用并不廣泛。成本方面，CMOS工藝的硅晶圓雖然比較便宜，但CMOS功放版圖面積比較大，再加上CMOS PA復雜的設計所投入的研發(fā)成本較高，使得CMOS功放整體的成本優(yōu)勢并不那么明顯。性能方面，CMOS功率放大器在線(xiàn)性度，輸出功率，效率等方面的性能較差，再加上CMOS工藝固有的缺點(diǎn):膝點(diǎn)電壓較高、擊穿電壓較低、CMOS工藝基片襯底的電阻率較低。
碳納米管(CNT)由于具有物理尺寸小、電子遷移率高，電流密度大和本征電容低等特點(diǎn)，人們認為是納米電子器件的理想材料。
零禁帶半導體材料石墨烯，因為具有很高的電子遷移速率、納米數量級的物理尺寸、優(yōu)秀的電性能以及機械性能，必將成為下一代射頻芯片的熱門(mén)材料。
射頻PA的線(xiàn)性化技術(shù)
射頻功率放大器的非線(xiàn)性失真會(huì )使其產(chǎn)生新的頻率分量，如對于二階失真會(huì )產(chǎn)生二次諧波和雙音拍頻，對于三階失真會(huì )產(chǎn)生三次諧波和多音拍頻。這些新的頻率分量如落在通帶內，將會(huì )對發(fā)射的信號造成直接干擾，如果落在通帶外將會(huì )干擾其他頻道的信號。為此要對射頻功率放大器的進(jìn)行線(xiàn)性化處理，這樣可以較好地解決信號的頻譜再生問(wèn)題。
射頻功放基本線(xiàn)性化技術(shù)的原理與方法不外乎是以輸入RF信號包絡(luò )的振幅和相位作為參考，與輸出信號比較，進(jìn)而產(chǎn)生適當的校正。目前己經(jīng)提出并得到廣泛應用的功率放大器線(xiàn)性化技術(shù)包括，功率回退，負反饋，前饋，預失真，包絡(luò )消除與恢復(EER)，利用非線(xiàn)性元件進(jìn)行線(xiàn)性放大(LINC) 。較復雜的線(xiàn)性化技術(shù)，如前饋，預失真，包絡(luò )消除與恢復，使用非線(xiàn)性元件進(jìn)行線(xiàn)性放大，它們對放大器線(xiàn)性度的改善效果比較好。而實(shí)現比較容易的線(xiàn)性化技術(shù)，比如功率回退，負反饋，這幾個(gè)技術(shù)對線(xiàn)性度的改善就比較有限。
?2-1、功率回退
這是最常用的方法，即選用功率較大的管子作小功率管使用，實(shí)際上是以犧牲直流功耗來(lái)提高功放的線(xiàn)性度。
功率回退法就是把功率放大器的輸入功率從1dB壓縮點(diǎn)(放大器有一個(gè)線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍，在這個(gè)范圍內，放大器的輸出功率隨輸入功率線(xiàn)性增加。隨著(zhù)輸入功率的繼續增大，放大器漸漸進(jìn)入飽和區，功率增益開(kāi)始下降，通常把增益下降到比線(xiàn)性增益低1dB時(shí)的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點(diǎn)，用P1dB表示。)向后回退6-10個(gè)分貝，工作在遠小于1dB壓縮點(diǎn)的電平上，使功率放大器遠離飽和區，進(jìn)入線(xiàn)性工作區，從而改善功率放大器的三階交調系數。一般情況，當基波功率降低1dB時(shí)，三階交調失真改善2dB。
功率回退法簡(jiǎn)單且易實(shí)現，不需要增加任何附加設備，是改善放大器線(xiàn)性度行之有效的方法，缺點(diǎn)是效率大為降低。另外，當功率回退到一定程度，當三階交調制達到-50dBc以下時(shí)，繼續回退將不再改善放大器的線(xiàn)性度。因此，在線(xiàn)性度要求很高的場(chǎng)合，完全靠功率回退是不夠的。
2-2、預失真
預失真就是在功率放大器前增加一個(gè)非線(xiàn)性電路用以補償功率放大器的非線(xiàn)性失真。
預失真線(xiàn)性化技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)在于不存在穩定性問(wèn)題，有更寬的信號頻帶，能夠處理含多載波的信號。預失真技術(shù)成本較低，由幾個(gè)仔細選取的元件封裝成單一模塊，連在信號源與功放之間，就構成預失真線(xiàn)性功放。手持移動(dòng)臺中的功放已采用了預失真技術(shù)，它僅用少量的元件就降低了互調產(chǎn)物幾dB，但卻是很關(guān)鍵的幾dB。
預失真技術(shù)分為RF預失真和數字基帶預失真兩種基本類(lèi)型。RF預失真一般采用模擬電路來(lái)實(shí)現，具有電路結構簡(jiǎn)單、成本低、易于高頻、寬帶應用等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是頻譜再生分量改善較少、高階頻譜分量抵消較困難。
數字基帶預失真由于工作頻率低，可以用數字電路實(shí)現，適應性強，而且可以通過(guò)增加采樣頻率和增大量化階數的辦法來(lái)抵消高階互調失真，是一種很有發(fā)展前途的方法。這種預失真器由一個(gè)矢量增益調節器組成，根據查找表(LUT)的內容來(lái)控制輸入信號的幅度和相位，預失真的大小由查找表的輸入來(lái)控制。矢量增益調節器一旦被優(yōu)化，將提供一個(gè)與功放相反的非線(xiàn)性特性。理想情況下，這時(shí)輸出的互調產(chǎn)物應該與雙音信號通過(guò)功放的輸出幅度相等而相位相反，即自適應調節模塊就是要調節查找表的輸入，從而使輸入信號與功放輸出信號的差別最小。注意到輸入信號的包絡(luò )也是查找表的一個(gè)輸入，反饋路徑來(lái)取樣功放的失真輸出，然后經(jīng)過(guò)A/D變換送入自適應調節DSP中，進(jìn)而來(lái)更新查找表。
2-3、前饋
前饋技術(shù)起源于"反饋"，應該說(shuō)它并不是什么新技術(shù)，早在二三十年代就由美國貝爾實(shí)驗室提出來(lái)的。除了校準(反饋)是加于輸出之外，概念上完全是"反饋"。
前饋線(xiàn)性放大器通過(guò)耦合器、衰減器、合成器、延時(shí)線(xiàn)、功分器等組成兩個(gè)環(huán)路。射頻信號輸入后，經(jīng)功分器分成兩路。一路進(jìn)入主功率放大器，由于其非線(xiàn)性失真，輸出端除了有需要放大的主頻信號外，還有三階交調干擾。從主功放的輸出中耦合一部分信號，通過(guò)環(huán)路1抵消放大器的主載頻信號，使其只剩下反相的三階交調分量。三階交調分量經(jīng)輔助放大器放大后，通過(guò)環(huán)路2抵消主放大器非線(xiàn)性產(chǎn)生的交調分量，從而了改善功放的線(xiàn)性度。
前饋技術(shù)既提供了較高校準精度的優(yōu)點(diǎn)，又沒(méi)有不穩定和帶寬受限的缺點(diǎn)。當然，這些優(yōu)點(diǎn)是用高成本換來(lái)的，由于在輸出校準，功率電平較大，校準信號需放大到較高的功率電平，這就需要額外的輔助放大器，而且要求這個(gè)輔助放大器本身的失真特性應處在前饋系統的指標之上。
前饋功放的抵消要求是很高的，需獲得幅度、相位和時(shí)延的匹配，如果出現功率變化、溫度變化及器件老化等均會(huì )造成抵消失靈。為此，在系統中考慮自適應抵消技術(shù)，使抵消能夠跟得上內外環(huán)境的變化。
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