淺析開關(guān)類功率放大器研究現(xiàn)狀

王測天 童 偉 呂繼平 鄔海峰* 林 倩

1.成都嘉納海威科技有限責(zé)任公司 四川 成都 610073

2.青海民族大學(xué) 青海 西寧 810007

1 引言

隨著環(huán)保意識的提升，節(jié)能減排收到持續(xù)關(guān)注，因此無線通信系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)成為運營商需要面對的核心問題。作為通信系統(tǒng)的重要部分，移動基站的節(jié)能理念已經(jīng)成為業(yè)界共識。功率放大器(PA)是基站中最重要的組成部分，也是最耗能的模塊，因此提升PA效率是實現(xiàn)綠色基站的關(guān)鍵。隨著5G通信技術(shù)的成熟，PA不斷面臨著帶寬和效率指標(biāo)的挑戰(zhàn)，開關(guān)類功放(SMPA)因其高效率特性成為了業(yè)內(nèi)關(guān)注焦點。

根據(jù)PA不同的工作方式，可以將其分為不同種類。傳統(tǒng)的線性PA分為A、B、AB和C類，它們以不同的導(dǎo)通角來區(qū)分，并且線性度較高，但是效率較低。典型SMPA分為D、D-1、E、E-1、F、F-1類，以及衍生出了J類、連續(xù)F等類。理想狀態(tài)下典型SMPA的晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，其電壓和電流不存在重疊，功率耗散為零，由此可以達(dá)到理論上100%的效率。同時，效率和線性度往往是一對兩難兼顧的指標(biāo)，由于SMPA的晶體管往往工作于飽和區(qū)，線性度較差，所以它更適合于調(diào)制對線性度要求較弱的恒包絡(luò)信號。

2 SMPA研究現(xiàn)狀分析

早在1958年D類功放就出現(xiàn)了，其結(jié)構(gòu)與推挽B類功放很相似，可分為電壓型和電流型。電壓型D類PA采用晶體管固有的輸出電容充放電，其在高頻下晶體管的開關(guān)延時不可忽略，電壓和電流的重疊也不可避免。由于晶體管輸出電容是主要的損耗因素，這就使得該類功放更適用于低頻MHz頻段。電流型D類功放是在2001年由Kobayashi等人首次提出并實現(xiàn)的[1]，它可在高頻時實現(xiàn)高效率，這主要是因為其輸出端采用并聯(lián)的儲能電路代替串聯(lián)濾波網(wǎng)絡(luò)，晶體管輸出電容被并入輸出電路匹配網(wǎng)絡(luò)中，使得晶體管輸出電容不再是主要耗能因素，故電流型D類功放可工作于1GHz甚至更高的頻率。雖然D類功放有很多優(yōu)點，但在更高頻條件下，推挽管功率合成的傳輸線變壓器會很難實現(xiàn)，加上晶體管導(dǎo)通電阻和串聯(lián)諧振元件的損耗，故D類功放在高頻領(lǐng)域并不適用，通常用于音頻放大作用。

由于D類功放并不適用于高頻領(lǐng)域。針對這個問題，在1975年由N.O.Sokal提出了E類功率放大器[2]。通過對開關(guān)的電壓波形整形，使開關(guān)在導(dǎo)通的瞬間，開關(guān)上的電壓和電壓變化的斜率都近似為0，功放管的漏極電壓和電流波形不出現(xiàn)交疊，從而使功放管的能耗為0。但是，E類功放對晶體管的要求十分苛刻，由于其漏極峰值電壓約為電源電壓的3.6倍，故其對功放管的耐壓性能要求很高，由此限制了E類功放的實際電路設(shè)計。在2005年，由T.Mury提出了一種新的E類功放對偶結(jié)構(gòu)，即逆E類功率放大器[3]。這種結(jié)構(gòu)的漏極峰值電壓較低，約為電源電壓的2.9倍，由此便降低了對功放管耐壓性的要求。

F類功率放大器其實是B類功率放大器的演變，是B類功放的一種深度調(diào)諧類型。它使用輸出濾波器對晶體管漏端電壓諧波或者電流諧波的成分進(jìn)行控制，調(diào)整晶體管漏端的電壓波形或者電流波形，漏極電壓波形近似方波，電流近似為半正弦波，使得它們沒有重疊區(qū)，從而減小開關(guān)的損耗，提高功率放大器的效率。同時F類功放不需要開關(guān)驅(qū)動信號，在實際應(yīng)用中有比E類功放高10%的效率和更低的電源電壓，從而使低功耗高效率成為了現(xiàn)實。正是由于這些因素，F(xiàn)類功放在無線系統(tǒng)應(yīng)用中變得非常流行。逆F類功率放大器，是F類功放電流電壓波形的變換，即漏極電壓波形近似半正弦，電流近似為方波。

J類放大器最早源于2001年F.H.Raab在一篇論文[4]中的想法，隨后由S.C.Cripps在2006年首次提出了J類功率放大器的概念[5]。J類功率放大器是將功放管偏置在深度AB類接近B類放大器的狀態(tài)。同時，通過調(diào)整電路的結(jié)構(gòu)單元使得晶體管的基頻輸出阻抗為復(fù)阻抗，并且二次諧波輸出阻抗為純電抗性。由于其接近B類狀態(tài)，其二次以上的諧波可以被Cds電容短路。而且，在基頻與二次諧波的共同作用下，J類功放的電壓輸出呈現(xiàn)出良好的半正弦波形。由于J類功放的基頻輸出阻抗為復(fù)阻抗，這就使漏極交流電壓可以免受膝點電壓影響，從而避免了跨導(dǎo)驟減帶來的非線性現(xiàn)象。

同J類功放相比較，連續(xù)F類功放最早源于2010年V.Carrubb在第40屆歐洲微波會議中發(fā)表的一篇論文[6]中的想法，隨后又在2011年發(fā)表了第一個寬帶高效的連續(xù)F類的論文[7]。對寬帶J類功放和F類功放的共同研究推進(jìn)了連續(xù)F類放大器的發(fā)展。其核心問題就是通過設(shè)計優(yōu)化基波負(fù)載阻抗的電抗虛部，同時改變輸出電路二次諧波阻抗相位響應(yīng)模式，從而得到類似于典型F類放大器模式的設(shè)計方法。

3 總結(jié)

就目前的研究狀態(tài)來看，業(yè)界對于D、E、F類功放的研發(fā)較為成熟，然而Doherty技術(shù)仍然是目前高效、高線性功放的首選方案。各大晶體管生產(chǎn)商及基站架構(gòu)設(shè)計公司的研發(fā)重點會明顯趨向于高效率、高線性度、寬帶的SMPA，如J類功放等。在未來通信領(lǐng)域的發(fā)展中，綠色基站已經(jīng)成為一種趨勢。而開關(guān)類功放由于其高效寬帶等突出優(yōu)點，必定會在各種“綠色基站”的解決方案中發(fā)揮重要的作用。