使用高能效的RF功率放大器能降低高数据速率移动通信系统的运营成本

高数据速率移动通信系统需要使用高能效的RF功率放大器（PA），以便帮助降低网络的运营成本。

然而，由于最新蜂窝标准中所用复杂调制方案的峰值平均功率比（PAR）较高，转而要求发射机PA具有高平均效率，因此这形成了挑战。许多PA架构都有一个“最佳工作点”——在该点处其工作效率最高，而在远离该点的位置，其工作效率低很多。因此，要想实现高平均效率，需要构建在各种工作条件下都能高效运行的PA架构。

我们已经看到一些有前途的方法，在Doherty和异相架构中使用GaN晶体管来构建这样的PA。我们认为，如果能在不增加PA板尺寸或复杂性的情况下，更有效地控制发射信号高次谐波终止的方式，则可以实现更高的效率。

我们的方法使用谐波匹配的GaN晶体管和准负载不敏感（QLI）架构，来实现标准RF封装中E类放大器的效率。尽管Doherty和异相PA架构调整其负载的方式不同，这种方法都可实现高工作效率。

作为提醒，图1显示了简化的Doherty PA架构。

图2显示了简化的异相PA架构。

使用QLI技术构建更高效的PA

我们使用E类放大器的有限电感实现，来从简单的电路结构实现高效率。由于负载网络元件和输入参数之间的关系随着谐振因子q = 1/ω√LC（即随L和C）而变化，因此出现了许多工作模式，如图3所示。

在q = 1.3时，PA进入E类工作模式，可在各种负载电阻范围内提供最佳效率——这是使用动态负载调制的系统所需。

在标准RF封装中，由于尺寸和成本限制，仅可采用简单的匹配网络拓扑。串联电容器在内部特别难以实现。因此，我们推导变换出了功能相同的低通LC部分（L1C1），如图3的下半部分所示。

由于高次谐波在封装内部实现匹配，因此传统的基本负载拉移系统足以实现最大效率、最大输出功率和回退（例如6dB）所需的最佳阻抗。测量数据显示，最大输出功率和效率在放大器的史密斯圆图的实轴上对齐。对于负载实部的增加，输出功率降低时，峰值效率保持不变，这表明在负载调制期间，实现峰值效率所需的二次谐波阻抗不受影响。这个特性对于提高Doherty和异相PA的平均效率非常有用。

将QLI技术应用到E类Doherty PA设计

我们对已封装器件的功率和效率进行的负载牵引测量结果表明，它具有λ/4内部信号旋转。在Doherty PA负载网络的设计中可以考虑这种内部旋转，因此不必在输出端添加补偿线。封装引线所需的基本负载阻抗也足够高，可以直接连接Doherty合路器而无需额外的匹配网络。

高次谐波在封装内终止意味着，Doherty PA的负载网络可以做到简单、紧凑，并且不需要更高的谐波匹配。此外，由于其静态电流，主器件被偏置到AB类模式，而峰值器件被偏置到C类模式，以确保传统的Doherty操作，以便在硬驱动时，器件能进入类E类操作。

将QLI技术应用到双输入、混合模式异相PA设计

混合模式异相设计如图4（b）所示。由于添加分流电纳会耗用面积，因此该设计改为通过将两个分支的电气长度调整±Δ，来将Chireix补偿整合到其中。Δ的值决定所需的异相补偿角。

对于混合模式异相工作，它使用了相位和输入功率控制的组合，来实现最大的漏极/PAE效率与功率回退比。用于实现最佳效率响应的驱动器配置文件，存储在查找表中。这意味着，异相PA可以避免在较大的异相角处产生急剧的效率/增益滚降，从而保持其高阵容效率。

实践中的QLI PA架构

我们使用双输入测量装置测试了这两种PA架构，该装置可以扫描信号的输入相位和幅度。这些器件没有采用高压缩封装，以避免它们在采用连续波工作时产生过热。这意味着，采用已调信号的峰值功率比静态测量的输出功率至少高1dB。线性化采用矢量切换广义记忆多项式方法进行。若采用优化的数字预失真策略，则应能提供更好的线性化。

图5中Doherty PA的连续波测量结果表明，在2.14GHz时，峰值输出功率达到46.2dBm，效率为68.79%——在6dB回退（BO）处，效率可保持在58%以上。图5还显示了增益响应。

Doherty PA还采用PAR为7dB的单载波WCDMA信号进行了测试。测试表明，线性化后，Doherty PA的平均效率为58.3%，平均输出功率为40.41dBm。线性化后的Doherty PA的功率谱如图6所示。

对于使用前述将QLI E类负载网络集成进封装的方法实现的双输入混合模式异相功率放大器，图6显示了其测得的效率与输出功率响应关系。分支PA1偏置为AB类，而PA2偏置为深AB类，这与AB类/AB类偏置相比，有助于将回退效率提高3%。彩色圆点显示了输入功率和相位的2D扫描。静态测量结果显示峰值输出功率为49dBm，效率为77%——在回退6dB以外，效率仍能保持在60%以上。通过连接所有高效点而实现的最终最佳响应表明，其在9dB回退范围内具有超过50%的效率，并具有良好的增益，如图7所示。

混合模式异相PA也使用PAR为7dB的单载波WCDMA信号进行了测试。测量结果表明，该混合模式异相PA的平均效率为66.6%，线性化后的平均输出功率为42.68dBm。线性化后的谱图如图7所示。

总结

这项工作表明，通过将高次谐波终止在RF封装内部，可以构建基于负载调制的高效PA。这种方法还意味着功率组合网络可以做到简单、紧凑。