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

隨著無(wú)線通信的帶寬、用戶數(shù)目和地理覆蓋范圍的擴(kuò)大，基站收發(fā)器的功率放大器部分對(duì)于更高效率的 需求不斷增長(zhǎng)。無(wú)線功率放大器所消耗的功率超過(guò)了基站運(yùn)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(xiàng)優(yōu)勢(shì)，首先，最明顯的優(yōu)勢(shì)是降低了運(yùn)營(yíng)成本，同 時(shí)，更少的廢熱意味著更低的設(shè)備冷卻需求和更高的可靠性。如果能夠減少對(duì)溫升問(wèn)題的關(guān)注度，那么無(wú)線運(yùn)營(yíng)商為了應(yīng)對(duì)4G和未來(lái)技術(shù)所帶來(lái)的無(wú)線數(shù)據(jù)使用量 的大幅增加而選建設(shè)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(jí)別的AMO調(diào)制技術(shù)的理論效率，對(duì)比兩級(jí) AMO和 “一級(jí)”移相(或稱(chēng)為L(zhǎng)INC，即“具有非線性成分的線性放大”)。

但是，更高的效率要求4G無(wú)線信號(hào)擁有更寬帶寬和高線性，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(xiàng)在麻省理工學(xué)院(MIT)開(kāi)發(fā)的技術(shù)：非對(duì)稱(chēng)多級(jí)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)的高線性配備了提升效率、多級(jí)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(xiàng)技術(shù)超越傳統(tǒng)包絡(luò)跟蹤技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)。圖1顯示了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)。

在任何移相系統(tǒng)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(shè)計(jì)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?yàn)槠渚哂邢啾痊F(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(qiáng)超過(guò)70%。

配合高性能RF放大器，電源開(kāi)關(guān)系統(tǒng)必須針對(duì)具有最小瞬變的低損耗開(kāi)關(guān)而優(yōu)化，系統(tǒng)的時(shí)序是非常重要的，這就需要管理每個(gè)信號(hào)和控制路徑中的延遲。一旦正確地同步，Eta Devices的專(zhuān)有數(shù)字預(yù)失真(DPD)技術(shù)就成為了實(shí)現(xiàn)4G系統(tǒng)的嚴(yán)苛相鄰信道功率比 (ACPR)規(guī)范的關(guān)鍵。這種架構(gòu)已經(jīng)在多種功率級(jí)別和應(yīng)用中實(shí)施，包括用于手機(jī)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(dǎo)體材料如GaN、GaA和硅材料。

AMO對(duì)比ET工作

目前，業(yè)界有兩種眾所周知通過(guò)非線性功率放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)線性放大的方法，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(diào)制放大器，輸入信號(hào)可轉(zhuǎn)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(qiáng)和刪除能 夠準(zhǔn)確復(fù)制輸入的信號(hào)。在實(shí)踐中，移相需要功率組合器，能夠?yàn)槊總€(gè)PA提供一致的負(fù)載；在放大器之間實(shí)現(xiàn)隔離，并提供大功率處理能力。這些特性可能難以實(shí) 現(xiàn)，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(hào)會(huì)導(dǎo)致效率降低，因?yàn)樽栊载?fù)載浪費(fèi)并消耗了許多放大器功率。

ET將RF信號(hào)分成單獨(dú)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(diào)制應(yīng)用于RF驅(qū)動(dòng)，而為PA供電的DC電源則通過(guò)振幅包絡(luò)進(jìn)行調(diào)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(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越多的帶寬要求的挑戰(zhàn)。對(duì)于ET來(lái)說(shuō)，問(wèn)題的關(guān)鍵是電源調(diào)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(chǎn)生噪聲，并且支持寬頻調(diào)制?，F(xiàn)代的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)挑戰(zhàn)已由AMO解決，后者結(jié)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(hào)處理開(kāi)始，提供相位調(diào)制信號(hào)給功率放大器，而功率放大器具有多級(jí)電源調(diào)制器。 放大了的信號(hào)的輸出結(jié)合了保持非線性PA高效率的高線性度。

圖2: AMO方框圖。