双驱动功率放大器——功率放大的下一个前沿

Sanghoon Lee, James Kaney and Edgar Garay, Falcomm

现代功率放大器（PA）有望通过OFDM支持高阶调制信号（如256-/1024-/4096-QAM），提高峰均功率比（PAPR）。然而，高PAPR会导致在当前的PA拓扑结构下，输出的平均PAE（功率增加效率）低于预期。这就是问题所在，PA既是先进通信系统的推动者，又是限制者。

虽然PA可以用于高阶调制方案，但它可能会低效地消耗无线通信系统内的大部分功率，其中大部分浪费的能量以热量的形式耗散了。鉴于日益严格的通信协议和要求，高性能PA对于成功和快速采用下一代商业通信网络至关重要。

提高PA的效率可以大大有利于整个无线通信市场，包括移动设备、可穿戴设备、蜂窝基站、手机、雷达和其他新兴市场。

目前的PA拓扑结构

对更高效、更线性的PA的需求推动了广泛的研究，以改善器件的性能，例如提高晶体管的fmax/ft。3 此外，线路后端工艺的改进，如更厚和更低损耗的顶部金属层，提高了无源元件的性能，这使得效率和输出功率得到进一步提高。4

然而，晶体管器件增加的fmax/ft指标并不一定能改善PA的性能，因为通常情况下，较小的光刻节点具有减少的电压开销和较小的击穿限制，使器件的性能和可靠性需要权衡。

关于电路拓扑结构的改进，到目前为止，几乎所有的PA都依赖于共源或共栅拓扑结构，并且主要侧重于通过向PA的输出呈现多谐波负载来提高峰值/功率回退（PBO）、PAE和最大输出功率（Pout），正如在F类、J类及其逆向和连续模式操作中完成的那样。5

近年来，有一种拓扑结构得到了普及，那就是谐波调谐的PA及其不同的变种。这种拓扑结构利用了在基本频率和一些谐波处添加负载的优势，以提高放大器的最大PAE。大多数现代技术的fmax/ft在100至300GHz之间。因此，在毫米波下，谐波含量可能不足以使效率得到重大改善。此外，可以提供谐波调谐的无源网络往往是复杂和有损的，进一步阻碍了效率的提高。即使这种技术显示出低到中等的效率改善，但前面提到的缺点阻碍了它的商业应用。

最近的工作还集中在进一步提高基于电路拓扑结构的效率，这些拓扑结构可以支持复杂的调制方法，如堆叠、出相位、混合信号、可重构和Doherty PA。6,7 然而，在纳米级的现代硅工艺中，每个堆叠晶体管的电源电压低于1V（级联器件为2V），因为晶体管膝电压Vknee成为电源电压的重要部分，这些报道的技术在PAE和Pout上的回报率越来越小。此外，在实际部署中经常看到电源电压的额外减少，以确保器件的可靠性。

这对于毫米波阵列尤其重要，因为阵列单元耦合会导致大量的天线阻抗失配（VSWR）和不希望出现的PA输出电压/电流大波动。尽管所报道的技术提高了毫米波下的整体PA效率，但在不借助较低的传导角或谐波整形时，其工作原理在理论上无法超越B类共源拓扑结构的线性模式PA的核心效率。

除了固态技术之外，行波管（TWT）放大器由于其高功率和高效率（大于90%）而被普遍用于卫星收发机。然而，行波管放大器非常笨重，外形尺寸横跨几十厘米，并且由于在更高频率（大于1GHz）下基于阵列架构的天线尺寸和间距要求更小，其无法用于现代通信系统。

因此，超高效的大功率毫米级固态PA对于下一代通信网络的成功和快速部署至关重要，因为它们在收发器功率效率、热管理要求和整体通信信道性能方面优于其他方案。

PA的效率考虑因素

图1显示了已公布的20至50GHz范围内的PA的Psat与PAEmax。8 在Psat和PAEmax之间有一个固有的权衡。此外，存在两个由Psat划分的功率/效率区域。在红色区域，效率受技术或器件性能的限制，在一定程度上受拓扑结构的限制。在蓝色区域，通过采用不同的功率合路技术来实现功率的增加，因此，效率受限于合路器输出网络的损失。这表明在饱和输出功率和最大效率之间有一个明显的权衡。

图1 已公布的20至50GHz PA的饱和输出功率与最大PAE。

编辑：黄飞