射频功率放大器在5G中的研究进展*

刘洁仪，魏启迪，章国豪

(广东工业大学 信息工程学院，广东 广州 510006)

射频功率放大器在5G中的研究进展*

刘洁仪，魏启迪，章国豪

(广东工业大学 信息工程学院，广东 广州 510006)

射频功率放大器是射频前端的关键模块, 而5G高频段采用毫米波功放是主要发展趋势。5G面对移动互联网等多种业务的激增，对射频功率放大器的性能及工作环境提出了更加苛刻的要求。因此，对射频功率放大器在毫米波下的研究与了解有着重要的应用意义。文中重点介绍了Doherty技术和线性度优化技术，并阐述了射频功率放大器在5G中的应用趋势。

功率放大器；毫米波；线性度；第五代移动通信

0 引言

射频集成电路产业作为信息技术产业的核心，在维护国家安全和提升市场经济等方面发挥着重大的作用。一方面各国商业和战略主权方面的竞争给当前集成电路产业制造了一个竞争非常激烈的国际环境[1-2]，另一方面当今世界越发朝着知识经济成一体系、信息共享加快和网络越发便捷的方向发展，集成电路产业在这些进程中扮演着核心的角色。而功率放大器(Power Amplifier, PA)作为集成电路产业中不可或缺的一部分，一方面体现在它是射频模组前端必不可少的模块，连接射频天线和收发芯片(transceiver)，另一方面是它的性能决定着移动通信系统的性能，包括移动通信终端支持的通信模式、天线接收信号的强弱等。因此PA效率和线性度的提升决定着整个射频系统的性能水平的提升，以及对适应5G发展、提高用户终端体验等都有十分重大的意义[3-6]。

LTE(Long Term Evolution)技术虽然可以提供较高的下载速度并支持高吞吐量应用，但由于双工器和滤波器的面积限制，目前尚无手持设备可以兼容所有聚合频带(Aggregation band)。另外，由于LTE与WiFi技术的不兼容，使得物联网的短距离传输更多的是采用WiFi、蓝牙或ZigBee等。LTE不能适应当前物联网兴起的发展，所以研究新一代移动通信系统第五代移动通信(以下简称5G)的需要日益强烈。5G在克服上述LTE缺点的同时，对移动互联网业务、时延的减少以及物联网多样化的业务需求等提出了挑战[7-16]。相对于4G采用的网络扁平化架构，5G将采用新型网络架构技术—C-RNA架构。该架构采用分布式远程射频单元(RRU)和集中式基带单元(BBU)实现多点传输/接收技术，光纤传输网络把无线信号传送到偏远的地方，覆盖上百个基站，这要求射频模组前端的PA对于在长距离下传送的信号，也能保持高效率和线性度。目前，4G所用频谱资源是十分紧缺的，而且各类通信设备所占用的频谱带宽也是十分拥挤的，根据无线通信传输的最大信号的带宽与载波频率成正相关的原理，5G若采用毫米波频段能改善目前4G频谱资源相对紧缺的现状，而且频谱带宽将轻松比4G宽10倍以上，甚至可到20倍。小天线、紧凑和轻设备是毫米波的另外几个优点，包括基站的天线尺寸将越来越小，甚至做到毫米量级，未来可以把基站设置在各种不起眼的角落。因此，毫米波段是未来5G的应用趋势[17]。另外5G通信要求单位时间内吞吐率更高、能耗更低、电池寿命更长，特别是在毫米波频段(毫米波)可以通过空间分集达到更高的容量和更低的延迟，因此提高超宽带毫米波PA的效率、线性度等性能迫在眉睫 。

理论方面，晶体管(transistor)作为射频放大器的核心器件，它通过用小信号来控制直流电源，产生随之变化的高功率信号，从而实现将电源的直流功率(direct-current power)转换成为满足辐射要求的功率信号。工程应用方面，提升PA性能的方法大多依赖工艺[18-19]，价格比较昂贵。砷化镓(GaAs)半导体工艺和氮化镓(GaN)半导体工艺是目前制作PA的所用的主要半导体材料，在射频前端芯片市场中占据着重要的市场份额。其中GaN作为第三类半导体材料的代表，在提高性能方面可采用文献[20]所述的Tsu-Esaki模型加转移矩阵和背向连接的二极管模型。该模型主要研究了AlN/GaN HEMT的正向栅电流，探寻了正向栅极的电流特性，其次Vg的主要势垒在AlN和GaN的接触面区域会有所提高。采用这种方法便于电路设计人员以漏电栅极电流模拟RF性能。另外结合GaN在电子迁移率、工作效率、耐压能力等方面的优势，GaN工艺将继续保持在制作手机等移动通信设备芯片中PA首选材料的优势，将在5G发展中进一步展示其优越的性能。

1 Doherty技术的研究进展

5G要求之一是为用户提供更高的数据传输体验服务，这就需要提高系统的频谱利用效率来达到这一指标。提高效率的传统方法有Doherty技术、EER(Envelope Elimination and Restoration)和ET(Envelope Tracking)等技术。其中EER技术由于自身存在非线性的问题，在进行幅度和相位的调制时，会造成调制路径的延时[21-22]，而5G通信要求系统的延时尽可能地低，这显然不利于信号的传播。近期已有相关的毫米波ET放大器报道[23]，但是该方法依赖于高性能的电源转换器，难以为5G感兴趣的带宽提供高效率的动态电源，而且5G对于包络与射频信号同步的相关联的定时要求是严格的。但是ET具有当动态供电带宽低于射频信号的带宽时，仍可以提高射频放大器的效率这一优势，因此ET技术值得进一步研究与改善。相比之下，目前的Doherty技术发展是十分迅速的，它的优势是既能在保持线性度的同时，又能通过对峰值功率(peak power)和平均功率(average power)的控制作用，使PA维持高效率的信号传输，即便是在功率变化波动范围很大的情况下。这一优势奠定了Doherty技术将成为5G基站发展中射频模组前端PA的首选。

Doherty的基本原理可通过分析经典的双级Doherty PA(如图1所示)：它由主PA(通常在AB类或B类偏置)、辅助PA(偏置在C类)、λ/4传输线和负载构成，其中λ/4传输线把主PA和辅助PA分隔开来。当DPA(Doherty PA)工作在低效率状态下，由于它的集电极C的偏置作用，辅助电源Vcc会关闭。当主PA工作在负载上，最大负载为最大输出功率，可以通过负载调制来提高后备效率。通过对DPA功率增加的研究可发现：输出功率与辅助电流成正相关，而主PA上λ/4传输线负载R1随着信号强度的变化而改变。

图1 经典的双级Doherty功率放大器

DPA按工作状态可分为如图2所示的A、B两种工作状态。在V1点之前，由于输出功率十分小，辅助PA未达到其阈值，呈现断路状态。随着输入功率的增加，功放增大，辅助PA到达阈值点后，开始工作。此时辅助PA线性工作的过程可以描述为电路中加入一个受控电流源I的过程。多级DPA与非对称的DPA相比，在回退电平(Back off level)和峰值点(Peak point)之间的效率有一定的优势。图3是2级、3级、4级DPA的瞬时集电极C效率，它们的转移点分别位于-6 dB、-12 dB、-18 dB功率回退点。双向DPA在-6 dB处效率处于最优，这种优势即便是在信号峰值平均功率比大的情况下，也是十分明显的。

图2 DPA的工作状态

图3 不同Doherty PA的结构效率

综上所述，Doherty技术有其自身的优点，但是也有不足。增益会降低、带宽减小、负载敏感度高等是它的劣势，可通过提供适当的供电偏置电压改善这一状况，文献[24]提出了一种80 W的高增益的有效Doherty PA，它具有新型的网络架构，可实现宽带操作和高回退效率，使PA达到最优性能。文献[25]介绍了一种新的Doherty解决方案连续体，主晶体管与辅助晶体管之间的原始λ/4组合器是通用的，分析了导出的无损组合网络替代时该连续体的状况。因此，在实践中采用新颖的Doherty PA解决方案能兼顾高效率和高线性度这两个指标。用上述方法在各种设计实例中不断改进Doherty技术，在5G通信中，可以将Doherty技术引入基站中射频模组放大器的前端，再结合下文所分析的基带预失真技术，提升系统的整体性能。让Doherty技术在5G无线通信基站中进一步展现其优势[26]。

2 PA高线性度的研究进展

目前，OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)已经在无线局域网、数字电视广播、数字声音广播等领域广泛应用。为保持超高通信速率和频谱利用率，在5G中应用OFDM技术时，必须使得信号峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio)有足够的大小[27-30]。这必将要求PA线性度和峰值输出功率有相应的提升。因此，要实现5G通信超高速率的信号传输，必须解决毫米波PA输出功率有限和超宽带线性化这两个突出问题。涉及到的挑战包括：(1)如何选择与设计可靠有效的毫米波功率合成架构，探索其同有源元件阵列和微波单片集成配合使用的可行途径，以及对自身结构所带来的辐射损耗的正确评估等问题；(2)如何选择与设计可靠有效的超宽频带功率放大器线性提升技术、提取非线性特性、建立行之有效的多通道互耦(cross coupling)非线性建模与参数识别方法，以及如何精确地模拟和有效地消除通道之间的互耦非线性行为。提高PA效率的可行性方法如上文提及，而PA线性度的提升可以是对放大器转移特性进行线性化，也可以说是使得PA整体的效率比功率回退时的效率要高。

采用负反馈技术的优势是提高了PA的可靠性和稳定性，把反馈加于具有失真的放大器上，能减小系统的失真，但是系统的增益会降低。在基带误差放大器中常采用Cartesian反馈法(Cartesian Feedback)或者极化形式(polar)，它们能增加环路的增益，但环路的带宽受到了限制，而且对记忆效应(负载和PVT的变化)也不敏感。因为它们采样输出失真(Sample output distortion)需要用足够高的环路增益去抵消。

图4 预失真原理图

预失真技术也是提高线性度的一种好的方法，输入信号经过预失真器，然后进入放大器，使得放大器和预失真器构成线性电路。如图4所示，输入信号与输出信号分别经过预失真器和放大器，得到的信号比原始信号要低。其中基带预失真(Baseband Predistortion，又称数字预失真)相比射频预失真(RF Predistortion)的电路复杂程度要高。RF预失真适合在卫星通信系统或蜂窝/PCN基站中应用，它能同时进入系统或者放大器的整个频带内。但是采用RF预失真也有局限，用自适应线模拟失真特性时，常需要调配，并且每个RF放大器都需要匹配，这会加大工作量，可以通过增加自动控制或者反馈系统进行改善。

前馈技术是在反馈的基础上得到的，是执行方法不同的一种反馈。在带宽、多载波线性化技术指标有要求的PA设计中，往往采用前馈技术[31]。与反馈技术相比，采用前馈校准不会降低PA的增益，而且它不与过去状态关联，是基于当前的状态，最重要的是前馈环是无条件稳定的，而反馈系统中会存在潜在的不稳定性，影响系统的性能。前馈技术的缺点是未对器件性能随温度和时间的变化做出补偿。

具体的几种方法的比较如表1所示，用传统的方法很难在仿真中体现出硬件环境，但是随着DSP技术的不断发展和越来越成熟，提高线性度的方法将得到进一步的改善。因此综合比较下采用基带预失真是理想的方案，将在5G提高PA线性度方面进一步应用。

表1 线性化方法之间的简要比较[31]

3 结论

PA作为移动通信终端中耗能最大的部件，它的性能提升对于提高移动设备电池的续航时间，增进用户的数据体验服务和应对新一代移动通信5G的挑战等都有着十分重大的意义。

GaN在电流截止频率、震荡频率和击穿电压等方面都有一定的优势，且具有较低的噪声特性，采用GaN材料制作的器件相对于其他材料器件有特殊优势，使之成为在高频、高压、大功率和高温应用方面PA设计的首选，具有很大的应用前景。Doherty技术目前发展比较成熟，划分好主PA和辅助PA分别起作用的阈值，采用合适的调制方式，把Doherty技术更好地应用在5G中，可提高基站收发信号的能力。随着PA输入信号功率的变大，PA内部的非线性往往阻碍着PA整体的性能，使得增益压缩，综合上文分析，采用基带预失真的方法能够满足PA在5G发展中对线性度的要求。

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Research progress of RF power amplifier in 5G

Liu Jieyi, Wei Qidi, Zhang Guohao

(School of Information Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

RF power amplifier is a key module in the RF front end. The high frequency section of 5G mobile communication system employs millimeter wave power amplifier is the main trend at present. With the development of the mobile Internet and other business in 5G, it has proposed extreme stringently requirements for RF power amplifier performance and operating environment. Therefore, it has important application significance to study and understand power amplifier worked in millimeter wave frequency band. In this paper, the Doherty and linear optimization techniques are introduced, and the application trend of RF power amplifier in 5G is expounded.

power amplifier; millimeter wave; linearity; 5G

TN722.7+5； TN323+.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.23.004

刘洁仪，魏启迪，章国豪.射频功率放大器在5G中的研究进展[J].微型机与应用，2017,36(23)：13-16.

广东省领军人才专项资助项目(400130002)

2017-05-12)

刘洁仪(1994- )，女 ，硕士研究生 ，主要研究方向：射频、微波及毫米波单片集成电路及组件等。

魏启迪(1991-)，女，硕士研究生，主要研究方向：微波理论、现代微波天线的关键技术以及射频功率放大器射频产品。