高效率諧波調(diào)諧功率放大器的發(fā)展綜述*

李霄梟，于洪喜

(中國空間技術(shù)研究院 西安分院，西安 710100)

0 引 言

隨著個人無線通信的發(fā)展，移動設(shè)備數(shù)量越來越多。對于移動設(shè)備而言，電池容量是限制使用時間的瓶頸，而對于功率容量有限的星載設(shè)備而言，提高系統(tǒng)的效率不僅能夠延長工作時間，還能夠緩解散熱系統(tǒng)的壓力。功率放大器(Power Amplifier，PA)(以下簡稱功放)作為收發(fā)系統(tǒng)中耗能最高的器件，在保證輸出功率和線性度的前提下，提高其效率不僅可以減少熱耗散，對延長電池以及設(shè)備的使用壽命至關(guān)重要。

傳統(tǒng)方法通過降低有源器件的柵極偏置來提高效率。隨著導(dǎo)通角的減小，功放的效率得到了提升，但是卻犧牲了增益：相比于A類偏置點(diǎn)，B類偏置點(diǎn)的功放增益下降6 dB，偏置在C類的功放則會犧牲更多增益，且輸出功率也會下降。然而利用適當(dāng)相位的諧波對柵極和漏極的電壓和電流進(jìn)行波形整形，可以減小漏極電壓和電流波形的交疊(即功率的耗散)，使得有源器件的效率得到提升[1-3]。不僅如此，對諧波分量適當(dāng)控制也被證實(shí)能夠提升功放的輸出功率和增益，多種諧波控制類功放的原理都基于此概念。

F類[4-5]、逆F類[6]通過合理地選擇諧波阻抗實(shí)現(xiàn)波形整形，實(shí)現(xiàn)了一定帶寬內(nèi)的高效率。合理控制二次諧波或者同時控制二次和三次諧波能夠進(jìn)一步提升功放的性能。此外，當(dāng)引入基頻復(fù)阻抗時，通過適當(dāng)控制二次諧波阻抗能夠構(gòu)建連續(xù)模功放，在保持高效率和輸出功率的同時拓展了功放的工作帶寬[7-8]。

羅馬第二大學(xué)的Colantonio等人[9]提出的諧波調(diào)諧功放(Harmonic Tuned Power Amplifier,HTPA)理論較好地解釋了高效率功放的設(shè)計方法。本文簡要回顧其推導(dǎo)過程并總結(jié)近年來諧波調(diào)諧功放的發(fā)展近況，隨后將近年來流行的連續(xù)模功放與之比較，最后展望了諧波調(diào)諧功放的發(fā)展趨勢。

1 諧波調(diào)諧功放

實(shí)踐中，功率放大器常常要在各種指標(biāo)要求之間做取舍，可以采用多級功放的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高增益，但是難免會增大電路尺寸。為了提高系統(tǒng)效率，不僅需要優(yōu)化直流供電，還需注意系統(tǒng)溫度。此外，在通信系統(tǒng)中，為了保證發(fā)射信號的質(zhì)量，還要兼顧線性度的要求。但是一般情況下，功放只有在增益壓縮較深的情況下才會達(dá)到高效率和高輸出功率的工作狀態(tài)，此時處于飽和狀態(tài)的有源器件已經(jīng)遠(yuǎn)離了線性區(qū)。而且通常只有在A類偏置點(diǎn)附近才能保證高增益，在C類偏置狀態(tài)才能保證高效率。

實(shí)現(xiàn)高效率功放的關(guān)鍵是提高輸送至基頻負(fù)載的實(shí)功率，同時減小有源器件自身的熱耗散和諧波負(fù)載消耗的功率?；谌遄逶氐挠性雌骷鏕aAs和GaN功放管常被用于諧波調(diào)諧功放，此時有源器件被當(dāng)作由輸入電壓信號控制的電流源來看待。尤其是FET(Field Effect Transistor)型器件，漏極電流面處的電流諧波分布主要受到柵極電壓控制，而輸出電壓的波形整形則需要依靠適當(dāng)負(fù)載阻抗。這就意味著輸出匹配網(wǎng)絡(luò)提供的各次諧波阻抗和漏極電流諧波與基頻信號幅相關(guān)系共同決定著諧波調(diào)諧功放的性能。因此，柵極偏置、輸入信號功率和源阻抗條件共同決定了輸出電流波形，配合適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷翰ㄐ尾拍芴岣吖Ψ诺男阅堋?/p>

正弦激勵下，漏極電流面的諧波隨導(dǎo)通角的變化趨勢如圖1所示。

圖1 正弦激勵下的漏極電流諧波分布(Quadric模型)

理論上只有在A類偏置狀態(tài)且沒有過激的情況下才不會產(chǎn)生諧波分量，然而通常情況下只有處于增益壓縮狀態(tài)的功放才能實(shí)現(xiàn)高效率和高功率，此時電流面的諧波相位分布與理想情況略有不同。實(shí)踐中由于更高次諧波幅度太小，且常常被寄生參數(shù)短路而難以控制，通常只考慮三次以下的諧波，因此一般情況下漏極電壓表示為

vDS(t)=VDD-V1·[cos(ωt)+k2·cos(2ωt)+k3cos(3ωt)]。

(1)

1.1 負(fù)載調(diào)諧功放

負(fù)載調(diào)諧功放(Tuned Load Power Amplifier,TLPA)的輸入和輸出網(wǎng)絡(luò)將所有高次諧波短路，柵極和漏極電壓中沒有高次諧波參與波形賦形，是諧波控制功放的參考基準(zhǔn)。根據(jù)負(fù)載線匹配理論，選定的基頻阻抗為

(2)

式中：V1,TL為漏極電壓的振幅，通常情況下V1,TL不超過擊穿電壓和膝點(diǎn)電壓，即V1,TL=min(VDD-Vk,Vbreak-VDD)；Imax為漏極電流的最大值。因此對應(yīng)的輸出功率為

(3)

同時可以得到直流電源提供的功率為

(4)

圖2 TLPA的負(fù)載阻抗

諧波控制的目的是通過選定合適的基頻和諧波負(fù)載阻抗，即k2和k3，提升基頻電壓的振幅，因此定義系數(shù)δ：

(5)

為簡化計算，將漏極電壓按照基頻電壓歸一化：

-cos(θ)-k2cos(2θ)-k3cos(3θ)。

(6)

通常情況下功放的電壓振幅不會超過擊穿電壓，所以δ(k2,k3)可以化簡為

(7)

至此得到了諧波調(diào)諧功放的基頻電壓提升范圍與諧波的關(guān)系。需要注意的是，二次諧波與奇次諧波的對稱性相反，因此定義參數(shù)β評估漏極電壓的非對稱性：

(8)

在選定漏極偏置和諧波控制時，要確保漏極電壓峰值振幅不超過擊穿電壓。至此，可以得到諧波調(diào)諧功放的輸出功率、增益和漏極效率提升能力均為TLPA的δ(k2,k3)倍。由于在漏極電壓中引入諧波，漏極電壓中基頻分量的幅度增大，為保證負(fù)載線匹配即電流不超過Imax，基頻的阻抗也應(yīng)做出相應(yīng)的調(diào)整，因此諧波調(diào)諧功放的基頻阻抗為Ropt,HT=Ropt,TL·δ(k2,k3)。

1.2 三次諧波調(diào)諧功放

三次諧波調(diào)諧功放(3rd Harmonic Tuned PA,3HTPA)，即F類功放，僅利用三次諧波對漏極電壓波形賦形，其歸一化漏極電壓可以化簡為

vDS,Norm=cos(θ)-k3cos(3θ)。

(9)

根據(jù)公式(7)，為了確定基頻電壓的增益函數(shù)δ(k3)，需要求得vDS的極值，因此對其求導(dǎo)數(shù)：

(10)

顯然，θ=0,π是方程的解，但是沒有意義。

(11)

3HTPA的負(fù)載阻抗條件如圖3所示，二次諧波被短路，三次諧波開路，因此漏極電壓中的三次諧波參與波形整形。需要注意的是，基頻阻抗也應(yīng)增加為TLPA的δ3倍以滿足負(fù)載線匹配的要求。由于三次諧波和基頻的對稱性一致，所以β(k3)=1，表明其漏極電壓的峰值與TLPA相同，從負(fù)載線中也能得到相同的結(jié)果。

圖3 3HTPA的負(fù)載阻抗

1.3 二次諧波調(diào)諧功放

與三次諧波調(diào)諧功放的推導(dǎo)過程類似，二次諧波調(diào)諧功放(2nd Harmonic Tuned PA,2HTPA)利用二次諧波對漏極電壓波形賦形，因此漏極電壓中不包含三次項(xiàng)，式(9)和式(10)變?yōu)?/p>

vDS,Norm=cos(θ)-k2cos(2θ)，

(12)

(13)

求解微分方程(13)可以得到，滿足解有意義的k2范圍是[k2<-1/4]∪[k2>1/4]，當(dāng)k2<0時才能滿足δ(k2)>1，解出δ2為

(14)

2HTPA的關(guān)注度略遜于F類功放，明確提到2HTPA概念的只有部分文獻(xiàn)[10-13]，但是過激的2HTPA有一個更為人們熟知的名字——逆F類功放。從圖4中可以看到，逆F類功放的負(fù)載阻抗條件和2HTPA相同，但是過激條件下功放的效率和輸出功率進(jìn)一步提高。

圖4 2HTPA的負(fù)載阻抗

根據(jù)先前的理論推導(dǎo)，在相同的輸入功率和偏置條件下，逆F類功放或者說過激的2HTPA在效率、輸出功率和增益方面都優(yōu)于F類功放，將兩類功放對比討論的文獻(xiàn)也都支持了這一結(jié)論[14-15]，此外還有將兩類功放結(jié)合使用構(gòu)成雙頻帶功放的案例，PAE高達(dá)80%[10]。

1.4 二次和三次諧波調(diào)諧功放

二次和三次諧波調(diào)諧功放(2nd&3rd Harmonic Tuned PA,23HTPA)則同時利用二次和三次諧波對漏極電壓波形賦形，其歸一化漏極電壓為

vDS,Norm(θ,k2,k3)=-cos(θ)-k2·cos(2θ)-k3·cos(3θ)。

(15)

理論最大提升效果依然是對公式(15)求導(dǎo)數(shù)，求解過可以采用數(shù)值方法，得到[k2,max,k3,max]=[-0.553,0.171]，此時δ2,3max≈1.62。由于波形的非對稱性，同樣需要注意合理選擇漏極偏壓，避免擊穿器件。23HTPA的負(fù)載阻抗如圖5所示，諧波阻抗沒有被短路，都參與到了漏極電壓波形整形，因此漏極電壓振幅和峰化效果進(jìn)一步增大。

圖5 23HTPA的負(fù)載阻抗

1.5 諧波調(diào)諧功放的發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)正弦驅(qū)動下漏極的電流諧波分布(如圖1所示)，理想情況下只有在A類偏置點(diǎn)附近才能夠在漏極電流面產(chǎn)生合適相位的電流諧波。實(shí)踐中晶體管常常被當(dāng)作壓控電流源看待，即電流面處的各次電流諧波受到輸入端電壓的控制，因此其他影響漏極電流諧波因素也包括柵極偏置點(diǎn)和輸入功率等，在高頻設(shè)計時都會影響諧波的產(chǎn)生。此外，非線性柵源電容Cgs和柵極偏置引發(fā)漏極電流的截斷效應(yīng)以及器件封裝帶來的寄生參數(shù)在高頻條件下也不可忽略。這些因素共同影響了漏極各個電流諧波分量的幅度和初相位，進(jìn)而影響功放的性能。

F類功放的研究較多，包括負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、柵極諧波控制以及集成化設(shè)計等。其中文獻(xiàn)[11-12]采用了異形的微帶輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，提升了功放PAE和帶寬，可達(dá)80%的峰值效率和約13%的相對帶寬。文獻(xiàn)[13]將腔體濾波器的結(jié)構(gòu)融合進(jìn)基頻的匹配網(wǎng)絡(luò)中，使得輸出網(wǎng)絡(luò)具有了帶通特性，同時提高了輸出網(wǎng)絡(luò)的Q值。文獻(xiàn)[16]說明了適當(dāng)?shù)臇艠O二次諧波控制能夠提升F類功放效率。F類功放同樣適用于高頻設(shè)計，在X頻段仍能有60%的PAE[17-18]，但是高頻設(shè)計中輸出匹配網(wǎng)絡(luò)不宜采用逐個諧波匹配的方法，而是盡量利用分布參數(shù)效應(yīng)，不僅能夠簡化網(wǎng)絡(luò)以降低損耗，還能夠縮小電路面積。

關(guān)于逆F類功放的早期研究主要集中于理論和實(shí)驗(yàn)研究[19-21]。隨著研究的深入和更高頻率的應(yīng)用場景，柵極的諧波控制的必要性逐漸顯現(xiàn)[22-24]，且在高頻段簡化匹配網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度尤為重要，利用濾波器的匹配方法在S頻段甚至能達(dá)到60%的相對帶寬[25]。逆F類功放的最高頻率已經(jīng)達(dá)到40 GHz，采用級聯(lián)結(jié)構(gòu)的功放，PAE仍然可以達(dá)到43%[26]。關(guān)于23HTPA的研究比較少見[27-28]，實(shí)踐中大多采用諧波負(fù)載牽引的方法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計。

2 連續(xù)模功放

諧波調(diào)諧功放的基頻阻抗均為實(shí)阻抗，相對帶寬一般在10%左右。隨著通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對帶寬的要求不斷提升，未來的通信需要更大的帶寬和通信容量。連續(xù)模功放是近年來備受關(guān)注的寬帶功放設(shè)計方法，能夠在保證功放線漏極效率和輸出功率的前提下提升功放的帶寬。連續(xù)模的概念最早由Cripps教授[29]提出，通過調(diào)整二次諧波的阻抗，結(jié)合適當(dāng)?shù)娜沃C波阻抗以及電抗性基頻負(fù)載，能夠在較寬頻帶范圍內(nèi)維持功放的效率和輸出功率，其中比較有代表性的是J類和連續(xù)模F類功放。

2.1 連續(xù)模J類功放

連續(xù)模J類功放在2006年由Cripps教授[29]提出，由此概念設(shè)計了多種寬帶功放。J類功放的理論起點(diǎn)是B類偏置的TLPA。輸出匹配中，在三次諧波短路的前提下，通過合理地控制二次諧波和基頻的復(fù)阻抗即可在較寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)TLPA的效率(理想狀況78.5%)。正弦激勵下連續(xù)模J類功放的漏極電壓可以寫作[8]

vJ(θ)=Vk+(VDS-Vk)·(1-cos(θ))·(1+αsinθ) 。

(16)

式中：α的取值區(qū)間為[-1,1]。當(dāng)α=0時，就是TLPA的工作狀態(tài)，而其他的α取值則構(gòu)成了一個“設(shè)計空間”，只要各次諧波阻抗隨頻率變化時落入設(shè)計空間(如圖6所示)，就可以在一定頻帶內(nèi)保持TLPA的效率和輸出功率。

圖6 J類功放的負(fù)載阻抗

2.2 連續(xù)模F類功放

如果將三次諧波也引入波形賦形，就構(gòu)成了連續(xù)模F類功放。相比于3HTPA中將輸出端的二次諧波短路的做法，連續(xù)模F類功放在利用三次諧波的基礎(chǔ)上同時利用了二次諧波對漏極電壓波形賦形，配合基頻復(fù)阻抗拓寬了F類功放的工作帶寬，其漏極電壓可以表示為[30]

(17)

式中：γ是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，定義域?yàn)閇-1,1]。當(dāng)γ=0時，為標(biāo)準(zhǔn)的F類功放；當(dāng)γ取其他值時，就構(gòu)成了連續(xù)模F類的設(shè)計空間。在圖7所示的阻抗條件下，三次諧波始終處于開路狀態(tài)，二次諧波阻抗與基頻阻抗隨頻率變化，構(gòu)成了“設(shè)計空間”。

圖7 連續(xù)模F類功放的負(fù)載阻抗

與J類功放類似，隨著二次諧波參與漏極電壓波形賦形的程度逐漸加深，漏極電壓的振幅逐漸增大，同時配合適當(dāng)?shù)幕l負(fù)載，使得漏極電壓的波形在最小值處保持著平坦的形狀，而峰值則隨著二次諧波與基頻阻抗在設(shè)計空間內(nèi)變化，因此可以保持著較高效率。同時由于漏極電壓振幅的增大，輸出功率增加，抵消了電抗性基頻負(fù)載帶來的輸出功率損失。當(dāng)γ=±1時，連續(xù)模F類功放的諧波阻抗和23HTPA的情況相同，即構(gòu)成了電抗性基頻負(fù)載23HTPA。

相關(guān)的研究一直致力于提升連續(xù)模功放的效率和帶寬。J類功放的相對帶寬可以達(dá)到50%以上[31-33]，而連續(xù)模F類功放可以達(dá)到70%[34]。由于連續(xù)模功放主要利用了更易于控制的二次諧波，因此連續(xù)模的設(shè)計思路也適用于高頻設(shè)計。在X波頻，J類功放的效率仍可以達(dá)到50%以上[35]。由于寄生參數(shù)等其他因素的影響，在更高的頻段難以保證三次諧波的開路狀態(tài)，因此連續(xù)模F類功放的大多數(shù)研究則主要集中于S、L頻段[30，36-37]。近年來集成化設(shè)計的連續(xù)模功放[38-40]和優(yōu)化的匹配方法逐漸成為熱點(diǎn)，在寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率，常用移動通信頻段的工作帶寬可達(dá)50%[41-42]。

3 總結(jié)與展望

本文回顧了諧波調(diào)諧功率放大器的理論，并采用負(fù)載牽引的方法闡明了該理論。引入諧波對漏極電壓波形賦形的諧波調(diào)諧功放相較于TLPA，增益、漏極效率和輸出功率都有提升。理論上，相比于沒有諧波控制的TLPA，3HTPA、2HTPA和23HTPA在輸出功率、漏極效率和增益方面分別有15%、41%和62%的提升。選擇合適的導(dǎo)通角即柵極偏置是實(shí)現(xiàn)相關(guān)諧波調(diào)諧功放的關(guān)鍵，同時引入合適的諧波阻抗和基頻阻抗即可實(shí)現(xiàn)高效率功放。結(jié)合負(fù)載線匹配，諧波調(diào)諧理論可以用于實(shí)際功放的設(shè)計，對于設(shè)計前的性能估計具有現(xiàn)實(shí)的參考意義。

連續(xù)模功放是諧波調(diào)諧功放理論的拓展，本質(zhì)上是引入基頻復(fù)阻抗后的2HTPA和23HTPA，利用了隨頻率變化的電抗性基頻阻抗拓展了帶寬，同時采用適當(dāng)電抗性質(zhì)的諧波阻抗保證效率和輸出功率，其設(shè)計思路體現(xiàn)了功放設(shè)計過程中各方面指標(biāo)權(quán)衡。

功率放大器沒有所謂的“最優(yōu)設(shè)計方案”，設(shè)計中需要在效率、輸出功率、增益和帶寬等指標(biāo)之間做出妥協(xié)，根據(jù)實(shí)際需求選擇最合理的功放設(shè)計方案。諧波調(diào)諧功放和連續(xù)模功放都屬于高效率功放的設(shè)計方法，只是側(cè)重點(diǎn)不同。當(dāng)進(jìn)行高頻設(shè)計時，輸入端和封裝帶來的非線性的影響不可忽略，需要謹(jǐn)慎地選擇輸入端和輸出端的諧波與基頻阻抗，用以滿足所需的功放性能。

諧波控制是實(shí)現(xiàn)單級高效率功放的方法，隨著技術(shù)的進(jìn)步和日益增長的需求，單級諧波調(diào)諧功放逐漸作為系統(tǒng)級功放的組成部分，應(yīng)用于 Doherty[43-44]或者異相功率放大器[45-46]中。尤其是C類偏置點(diǎn)的諧波調(diào)諧功放，能夠提供更多的設(shè)計選擇，例如作為Doherty功放的峰值放大器，或者應(yīng)用于異相功率放大器這種對線性度要求不高的場合。亦或結(jié)合包絡(luò)跟蹤技術(shù)[47-48]，拓展功放的高效率動態(tài)范圍。根據(jù)不同系統(tǒng)的要求靈活應(yīng)用各種諧波調(diào)諧功放，提升功放單機(jī)的效率。

隨著通信載波頻率的不斷提高，三次諧波的控制將越來越困難，有效利用二次諧波和電抗性負(fù)載，是提升高頻功放性能的有效方法。在空間應(yīng)用領(lǐng)域，基于GaN工藝的微波功放芯片可靠性優(yōu)異，作為當(dāng)下熱門的固態(tài)功放設(shè)計工藝，正在向著更高效、更集成和多功能化的方向發(fā)展，而諧波調(diào)諧功放可以為設(shè)計者提供更多的設(shè)計方案，以應(yīng)對不斷變化的需求。