GaN器件和AMO技術推動實現(xiàn)高效率和寬帶寬

隨著無線通信的帶寬、用戶數(shù)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。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(yōu)勢，首先，最明顯的優(yōu)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(shù)據(jù)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(chuàng)企業(yè)Eta Devices正在為一項在麻省理工學院(MIT)開發(fā)的技術：非對稱多級移相(asymmetric multilevel outphasing, AMO) 技術進行商業(yè)化開發(fā)。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(tǒng)包絡跟蹤技術的最大優(yōu)勢。圖1顯示了AMO技術如何實現(xiàn)效率提升，超越單獨的移相技術。

在任何移相系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)必須針對具有最小瞬變的低損耗開關而優(yōu)化，系統(tǒng)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(shù)字預失真(DPD)技術就成為了實現(xiàn)4G系統(tǒng)的嚴苛相鄰信道功率比 (ACPR)規(guī)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(yè)界有兩種眾所周知通過非線性功率放大器來實現(xiàn)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(xiàn)隔離，并提供大功率處理能力。這些特性可能難以實 現(xiàn)，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(zhàn)。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(tǒng)中幾乎不產生噪聲，并且支持寬頻調制?，F(xiàn)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(zhàn)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。