采用功率放大器提高宽带通信系统的效率

军事和航空航天通信的一个关键要求是避免窃听的能力。随着拦截技术变得越来越复杂，传输系统所采用的调制和加密方案也必须如此。军用和航空电子通信系统现在使用高度灵活的无线电通信，从频带跳到频带，以及采用宽带协议以允许有效地加扰数据，并且实际上使传输看起来越来越像窃听者的噪声。 然而，向更复杂的调制方案和宽带扩频通信技术的转变给用于RF的功率放大器带来了更大的压力，这些功率放大器通常针对相对窄的频带进行调谐以提高效率。尝试将这些设备用于宽带操作会导致低能效。类似的过程已经影响了商业环境。例如，在诸如GSM的商业协议中，选择高斯最小频移键控技术是因为它允许线性功率放大器在其最有效的饱和区域中操作。更复杂的调制方案，例如正交幅度调制，可提供更高的频谱效率，允许将更多数据打包到更小的带宽中，或为加密提供更大的余量。由于这些调制方案改变了相位和幅度而不仅仅是GMSK的相位，功率放大器需要进一步下降到其线性区域，这比靠近饱和区域工作的功率效率低。

随着调制方案的到来更复杂的是，峰均比或波峰因数恶化。对于来自商业环境的比较，与7 dB的3G UMTS和3 dB的GSM相比，LTE将峰值平均值取为10 dB。这又导致了电路级技术的发展，这些技术可以在不损失效率的情况下提供宽带通信。

解决这个问题的一种方法是采用现代形式的功率放大器设计。 20世纪30年代威廉多尔蒂在贝尔实验室。该电路并联使用两个放大器。一个是有效的，第二个放大器为调制峰值增加了额外的能量。由于主放大器可以在接近饱和点的“后退”条件下运行更长时间，因此整体效率会提高。次级放大器提供对信号的微调控制。

原则上，使用比2更多的放大器可以提高效率，但也会增加成本和复杂性。随着通信技术进入更高水平的数字复杂性和频谱效率，N路Doherty设计可能会变得更加普遍。

图1：Doherty放大器架构。虽然Doherty放大器的架构优雅且概念简单，但设计细节可能会对性能产生很大差异。操作受输入分频器的耦合系数以及载波和峰值放大器级偏置的方式的影响。峰值放大器开启的方式取决于输入功率电平和栅极偏置电压，这也决定了低输出和峰值条件的功率效率。如何设置这些参数取决于要应用的信号类型。例如，如果峰值放大器的栅极偏置电压更负，则此放大器将打开，这将提高效率在退避条件下，但实际效率结果可能不适用于复杂的信号调制方案。

对于波峰因数超过10 dB的信号，来自Doherty放大器的98％以上的RF功率是由载波放大器。在不到2％的时间内，不需要使用峰值放大器。

首先描述Doherty建议一年后，包络跟踪是另一种可以通过具有高波峰的复杂宽带调制方案提高效率的方法

信封跟踪使用数字控制器不断调整功率放大器的电源电压。这避免了放大器被提供过高电压的情况，该电压将导致过多的能量被简单地作为热量消散。由于电压降低允许晶体管在更大比例的时间内完全饱和，因此包络跟踪的效率提高往往会使放大器进一步工作在理想范围内。由于包络跟踪电路施加的电压降低，其实际输出降低。

图2：包络跟踪调制电压以符合实际调制方案所需的输出幅度时间。结果Doherty和包络跟踪技术可以组合在一个电路中，以提供每个技术的优点。通常，包络跟踪应用于载波放大器，同时常规驱动峰值放大器以处理当提供给载波放大器的电压达到其最大值时不能满足的峰值。在效率方面存在折衷，因为分频器/组合器中的损耗以及由于峰值放大器仅在非常短的时间段内被驱动到饱和而导致高幅度信号的效率损失。然而，对于在非常高的波峰因数调制方案中常见的较低幅度信号，由于其在饱和区域中的长期操作，载波放大器的效率可以保持在高水平。

图3：Doherty和包络跟踪Doherty与传统功率放大器效率的比较。 （来源：Moon等，2010）

为了支持宽带调制方案，功率晶体管和放大器本身也在不断发展。硅镓和砷化镓正受到来自硅锗和氮化镓等技术的日益激烈的竞争。

GaN支持制造高电子迁移率晶体管（HEMT）结构，以提供比硅器件更高的电子速度。高迁移率源于二维电子气在组分材料之间的界面处形成的方式。这种气体中的载流子比硅等材料更自由地移动。因此，GaN晶体管更适合用于高频功率开关电路。

GaN的另一个优势是器件能够在高温条件下工作，这对硅器件来说很有挑战性，适合于军事应用所需的极端环境。作为高功率，高频晶体管的一个例子，Cree的CGH40006P是一种GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）。 CGH40006P采用28 V电源轨，为各种射频和微波应用提供通用的宽带解决方案。 GaN HEMT提供高效率，高增益和宽带宽能力，使CGH40006P成为线性和压缩放大器电路的理想选择，并且已经证明了许多电路将该技术用于Doherty和包络跟踪Doherty应用（1，2） 。该晶体管采用焊接式药丸封装。基于GaN的晶体管可在DC至6 GHz范围内工作，以满足宽带通信系统的需求。

RFMD的RF3931还采用GaN实现48 V 30 W高功率分立放大器，专为无线基础设施而设计。通用宽带放大器应用。放大器的工艺技术可在单个放大器设计中在宽频率范围内实现高效率和平坦增益RF3931本身是一种无与伦比的GaN晶体管，采用密封的法兰陶瓷封装，通过采用先进的散热器和功耗技术提供出色的热稳定性。在封装外部使用简单匹配网络允许在单个放大器中使用宽带增益和功率性能。该晶体管可提供直流至3.5 GHz的输出功率，可提供高达50 W的输出功率。

M/A-Com设计的GaN基器件适用于适用于雷达系统的脉冲功率运行以及用于通信的连续波应用。 MAGX系列包括MAGX-000035系列，一种30 MHz至3.5 GHz功率晶体管，可在碳化硅衬底上部署GaN，以提供额外的坚固性。这款无与伦比的器件采用耗尽型结构，采用法兰或无法兰的陶瓷封装，可提供出色的散热性能。结合SiC衬底和GaN技术，这种器件非常适合高温环境，结温可达200°C。对于低功率发射器应用，Avago Technologies的ATF-50189是一款高线性度，低噪声增强型假晶HEMT，采用低成本表面贴装SOT89封装。增强模式操作允许简单的单电源偏置，并且通过使用贴片电阻，允许偏置电流针对单元到单元的变化进行微调。通过在相同偏置点提供低噪声和高输出IP3的组合意味着该器件适用于接收器和发送器应用，简化了较小无线电系统的设计。其工作频率范围为400 MHz至3.9 GHz。

由于功率器件和电路架构的进步，现在可以在高度加密的宽带通信系统中实现高光谱和高能效。随着GaN等工艺的改进和团队对Doherty和包络跟踪方案的权衡有了更深入的了解，我们可以期待看到进一步的增强。