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射频功率放大器效率提升的方法
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2017-11-08
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热力学的基本规律揭示出没有电子设备可以实现100％的效率——虽然开关电源比较接近（达到98％）。但不幸的是任何产生RF功率的器件目前都无法 达到或者接近理想的性能，因为将直流功率转换为射频功率过程中面临太多的缺陷，包括整个信号路径传输造成的损耗，转到工作频率时的损耗，以及该器件固有特 性损耗等。结果，MIT科技评论的一篇文章曾毫不客气的这样评价RF功率放大器，“它是一个非常低效的硬件。”
毫不奇怪的是，RF功率产品的每一环节厂家，从半导体到放大器再到发射器，以及大学和国防部，每年都花费大量的时间和财力，以提升RF功率器件的效率。这么做有充足的理由：即使是效率的细微提升，也可以延长电池驱动类产品的工作时间，并降低无线基站每年的电力消耗。图1显示了RF部分占基站整体功耗的比例情况。
图1：将基站电力消耗中的各种射频相关部分加起来，最终结果值将相当大。
幸运的是，经过连年不断努力提升RF效率，这些情况在逐渐改变。这些工作有一些是在器件级，有些则采用了一些创新技术，比如包络跟综，数字预失真/波峰因子降低方案，以及采用比常见AB类级别更高级的放大器。
放 大器设计的一个重大转变是5年内就成为基站放大器标准的Doherty 架构。自从贝尔实验室（随后成为了西屋电气的一部分）的Doherty 博士在1936年发明这种架构后，它大部分时间处于沉寂状态，只在几个应用中使用过。Doherty 的研究创造了一种新的放大器结构，在输入信号具备很高峰均比（PAR）时，还可以提供极高的功率附加效率。事实上，如果设计得当，相较于标准并行AB类放 大器，Doherty 放大器的效率可提升11％到14％。
当然，在1936年以后的许多年间，只有很少类信号具备这些特性，如通信系统中 使用调制方案的AM和FM便没有。而目前，几乎每一个无线系统都产生高PAR信号，从WCDMA到CDMA2000再到任何采用正交频分复用的系统 （OFDM），例如WiMAX，LTE和最近的香饽饽Wi-Fi。
图2：一个典型的Doherty放大器
经典Doherty放大器（图2），可以归类于负载调制架构，实际上由两个放大器组成：一个载波放大器偏置在AB类模式下进行操作，而峰值放大器偏置成C类 模式。一个功分器将输入信号以90°相位差等分给每个放大器。放大后，信号通过功率耦合器被重新合成。两个放大器在输入信号处于峰值时会同时操作，每个都表现为一个负载阻抗，以最大化输出功率。
然而，随着输入信号功率的下降，C类峰值放大器被关闭，只有AB类载波放大器仍然工作。在较低的功率电平时，AB类载波放大器表现为经调制的负载阻抗，以提升效率和增益。随着该架构重新焕发活力，Doherty放大器设计在快速的迭代中取得了重大进展，也获得了巨大成功。
当然，没有任何架构是完美的。Doherty放大器的线性度和输出功率比双AB类放大器都稍差些。这给我们带来了另一个重要的电路，也已成为当今通信环境中必不可少的选择：模拟和数字线性化技术。该技术中使用最广泛的是数字预失真（DPD），有时与波峰因子降低（CFR）组合使用。DPD和CFR都可以大幅 降低Doherty的失真，精心的器件和放大器设计可以最大限度地降低线性损失。然而，它们没有严格定义在Doherty放大器中使用，在其它放大器结构 中使用效果也相当明显。
毫不奇怪的是，RF功率产品的每一环节厂家，从半导体到放大器再到发射器，以及大学和国防部，每年都花费大量的时间和财力，以提升RF功率器件的效率。这么做有充足的理由：即使是效率的细微提升，也可以延长电池驱动类产品的工作时间，并降低无线基站每年的电力消耗。图1显示了RF部分占基站整体功耗的比例情况。
图1：将基站电力消耗中的各种射频相关部分加起来，最终结果值将相当大。
幸运的是，经过连年不断努力提升RF效率，这些情况在逐渐改变。这些工作有一些是在器件级，有些则采用了一些创新技术，比如包络跟综，数字预失真/波峰因子降低方案，以及采用比常见AB类级别更高级的放大器。
放 大器设计的一个重大转变是5年内就成为基站放大器标准的Doherty 架构。自从贝尔实验室（随后成为了西屋电气的一部分）的Doherty 博士在1936年发明这种架构后，它大部分时间处于沉寂状态，只在几个应用中使用过。Doherty 的研究创造了一种新的放大器结构，在输入信号具备很高峰均比（PAR）时，还可以提供极高的功率附加效率。事实上，如果设计得当，相较于标准并行AB类放 大器，Doherty 放大器的效率可提升11％到14％。
当然，在1936年以后的许多年间，只有很少类信号具备这些特性，如通信系统中 使用调制方案的AM和FM便没有。而目前，几乎每一个无线系统都产生高PAR信号，从WCDMA到CDMA2000再到任何采用正交频分复用的系统 （OFDM），例如WiMAX，LTE和最近的香饽饽Wi-Fi。
图2：一个典型的Doherty放大器
经典Doherty放大器（图2），可以归类于负载调制架构，实际上由两个放大器组成：一个载波放大器偏置在AB类模式下进行操作，而峰值放大器偏置成C类 模式。一个功分器将输入信号以90°相位差等分给每个放大器。放大后，信号通过功率耦合器被重新合成。两个放大器在输入信号处于峰值时会同时操作，每个都表现为一个负载阻抗，以最大化输出功率。
然而，随着输入信号功率的下降，C类峰值放大器被关闭，只有AB类载波放大器仍然工作。在较低的功率电平时，AB类载波放大器表现为经调制的负载阻抗，以提升效率和增益。随着该架构重新焕发活力，Doherty放大器设计在快速的迭代中取得了重大进展，也获得了巨大成功。
当然，没有任何架构是完美的。Doherty放大器的线性度和输出功率比双AB类放大器都稍差些。这给我们带来了另一个重要的电路，也已成为当今通信环境中必不可少的选择：模拟和数字线性化技术。该技术中使用最广泛的是数字预失真（DPD），有时与波峰因子降低（CFR）组合使用。DPD和CFR都可以大幅 降低Doherty的失真，精心的器件和放大器设计可以最大限度地降低线性损失。然而，它们没有严格定义在Doherty放大器中使用，在其它放大器结构 中使用效果也相当明显。
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