GaN組件和AMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高效率與寬帶

隨著無線通信的帶寬、用戶數(shù)目以及地理覆蓋范圍擴(kuò)展，基地臺(tái)收發(fā)器的功率放大器(PA) 部份對(duì)于更高效率的需求也不斷成長。無線功率放大器所消耗的功率超過了基地臺(tái)運(yùn)作所需功率的一半。透過提高效率來減少功耗具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，首先，最明顯的好 處是降低運(yùn)營成本；同時(shí)，更少的熱意味著更低的設(shè)備冷卻需求以及更高的可靠性。如果能夠減少對(duì)于溫度升高問題的關(guān)注度，那么無線業(yè)者在因應(yīng)4G和下一代技 術(shù)帶來無線資料用量大幅增加而定位建設(shè)新基地臺(tái)時(shí)，會(huì)有更大的彈性。

更高的效率需要4G無線訊號(hào)擁有更寬的頻帶和高線性度。為了解決這個(gè)問題，最近新創(chuàng)企業(yè)Eta Devices正為一項(xiàng)在麻省理工學(xué)院(MIT)開發(fā)的技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化開發(fā)——‘非對(duì)稱多級(jí)移相’(asymmetric multilevel outphasing；AMO)技術(shù)。AMO技術(shù)結(jié)合了移相技術(shù)的高線性度以及高效率、多層級(jí)、獨(dú)立開關(guān)的漏極偏置電壓。獨(dú)立開關(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(xiàng)技術(shù)超越傳統(tǒng)封包追蹤技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)。圖1顯示AMO技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)效率提升，超越單獨(dú)的移相技術(shù)。

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

在任何移相系統(tǒng)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(shè)計(jì)中，Eta Devices公司使用實(shí)際峰值漏極效率超過80%的GaN HEMT組件，因?yàn)樗哂邢啾痊F(xiàn)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(qiáng)超過70%。

配合高性能 RF放大器，電源開關(guān)系統(tǒng)必須針對(duì)具有最小瞬變的低損耗開關(guān)而優(yōu)化，系統(tǒng)的時(shí)序是非常重要的，它需要管理每個(gè)訊號(hào)和控制路徑中的延遲。一旦正確地進(jìn)行同 步，Eta Devices的專有數(shù)字預(yù)失真(DPD)技術(shù)就成為實(shí)現(xiàn)4G系統(tǒng)相鄰信道功率比(ACPR)規(guī)范的關(guān)鍵。這種架構(gòu)已經(jīng)建置于多種功率級(jí)和應(yīng)用中，包括用 于手機(jī)和WLAN傳送器的1W PA到用于基地臺(tái)的100W PA，并使用多種半導(dǎo)體材料如GaN、GaA和硅晶材料。

AMO與ET技術(shù)比較

目前有兩種透過非線性功率放大器實(shí)現(xiàn)線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(diào)變 放大器，其輸入訊號(hào)可轉(zhuǎn)換為合適的相位并送至放大器，而其輸出訊號(hào)則經(jīng)由組合使訊號(hào)中相位成份的增強(qiáng)與刪除能夠準(zhǔn)確復(fù)制輸入訊號(hào)。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(fù)載，在放大器之間實(shí)現(xiàn)隔離，并提供高功率處理能力。這些特性可能難以實(shí)現(xiàn)，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(hào)導(dǎo)致效率降低，因?yàn)殡娮柝?fù)載耗用許多放大器功率。

ET 法則將RF訊號(hào)分成單獨(dú)的相位角和振幅成分。PA在飽和模式下作業(yè)，通常是開關(guān)模式之一，例如Class E。相位調(diào)變應(yīng)用于RF驅(qū)動(dòng)，而為PA供電的DC電源則經(jīng)由振幅封包進(jìn)行調(diào)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(biāo)準(zhǔn)帶寬持續(xù)增加需求的挑戰(zhàn)。對(duì)于ET來說，問題的關(guān)鍵在于電源調(diào)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、 高線性度、高分辨率，以及幾乎不為系統(tǒng)帶來任何噪聲，而且支持寬帶調(diào)變。現(xiàn)代的無線標(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。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(hào)處理開始，即為具有多級(jí)電源調(diào)變器的PA提供相位調(diào)變訊號(hào)。其輸出 結(jié)合高線性度的放大訊號(hào)，從而維持非線性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(xiàn)高帶寬調(diào)變，但卻可能犧牲在此AMO建置核心的非傳統(tǒng)DPD方案。雖然DPD架構(gòu)是非傳統(tǒng)的，但所需的運(yùn) 算資源與傳統(tǒng)DPD的并無不同。因此，它并不至于因?yàn)閿?shù)字復(fù)雜度提高而導(dǎo)致可能損害總效率增益的潛在功率成本。AMO容許某種權(quán)衡折衷，以解決移相和封包 追蹤行為的限制，從而實(shí)現(xiàn)在各方面都具有最佳特性的系統(tǒng)。

圖3：10W Class E 1.95GHz測(cè)試電路原理圖。

GaN組件和PA設(shè)計(jì)

核心的開關(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(tǒng)效率。對(duì)于目前的無線通信放大器來說，大多數(shù)最高效率的產(chǎn)品組件都采用GaN制程來生產(chǎn)。例如美國麻省理工學(xué)院(MIT)開發(fā)的原型中使用的 GaN HEMT組件在最大飽和輸出功率時(shí)規(guī)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(duì)于AMO應(yīng)用來說，PA的設(shè)計(jì)目的是在整個(gè)由階梯式開關(guān)電源調(diào)變器提供的漏極電壓范圍內(nèi)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(參見圖5)包含幾種額外的系統(tǒng)組成?；lI和Q訊號(hào)被傳送至采用FPGA建置的DPD和調(diào)變訊號(hào)處理器中。在此系統(tǒng)中，DPD采用查找表 來進(jìn)行建置，該查找表是由PA上的傳送器針對(duì)不同DC電平組合所測(cè)得的靜態(tài)非線性所建構(gòu)的。移相信道相位調(diào)變數(shù)據(jù)被傳送到兩個(gè)PA的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器 (DAC)和相位調(diào)變器。振幅調(diào)變數(shù)據(jù)以及粗略延遲校正則用于驅(qū)動(dòng)電源調(diào)變器電路。RF前置放大器提供必要的驅(qū)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(cè)試傳送器方塊圖。

性能總結(jié)

AMO結(jié)合了移相和ET技術(shù)在單獨(dú)使用時(shí)所需的特性。圖6顯示四級(jí)AMO測(cè)試傳送器的效率與寬帶性能。AMO系統(tǒng)架構(gòu)使用Class E GaN PA，結(jié)合最新的DPD建置，在1MHz帶寬提供平均70%的調(diào)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(cè)量中還包括了電源調(diào)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?fù)ǖ乐械念l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(cè)量數(shù)據(jù)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(diào)變漏極效率 (包括調(diào)變器損耗)，但在功率回退時(shí)的性能可說是更重要的。這是因?yàn)殡娦艠I(yè)者的基地臺(tái)幾乎從來不會(huì)在最大平均輸出功率時(shí)運(yùn)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(duì)于最大平均功率的10dB功率回退，該組件系統(tǒng)僅損失10%的效率。針對(duì)具有7dB PAPR的訊號(hào)，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(cè)量效率(ACPR>45dBc)。圖中顯示四個(gè)單獨(dú)的漏極電壓，以虛線說明四級(jí)AMO如何在整個(gè)功率回退范圍時(shí)達(dá)到系統(tǒng)效率。8。

這項(xiàng)技術(shù)正繼續(xù)擴(kuò)展其能力，專注于支持LTE和MC-GSM，以實(shí)現(xiàn)軟件定義無線電(SDR)，同時(shí)迎接WLAN等持續(xù)擴(kuò)展中的寬帶標(biāo)準(zhǔn)挑戰(zhàn)。