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  • 發布時間:2020-09-28 11:21 原文鏈接: 射頻功率放大器(RFPA)概述(三)

    半導體材料的變遷:

    Ge(鍺)、Si(硅)→→→GaAs(砷化鎵)、InP(磷化銦)→→→SiC(碳化硅)、GaN(氮化鎵)、SiGe(鍺化硅)、SOI(絕緣層上覆硅) →→→碳納米管(CNT) →→→石墨烯(Graphene)。

    目前功率放大器的主流工藝依然是GaAs工藝。另外,GaAs HBT,砷化鎵異質結雙極晶體管。其中HBT(heterojunction bipolar transistor,異質結雙極晶體管)是一種由砷化鎵(GaAs)層和鋁鎵砷(AlGaAs)層構成的雙極晶體管。

    CMOS工藝雖然已經比較成熟,但Si CMOS功率放大器的應用并不廣泛。成本方面,CMOS工藝的硅晶圓雖然比較便宜,但CMOS功放版圖面積比較大,再加上CMOS PA復雜的設計所投入的研發成本較高,使得CMOS功放整體的成本優勢并不那么明顯。性能方面,CMOS功率放大器在線性度,輸出功率,效率等方面的性能較差,再加上CMOS工藝固有的缺點:膝點電壓較高、擊穿電壓較低、CMOS工藝基片襯底的電阻率較低。

    碳納米管(CNT)由于具有物理尺寸小、電子遷移率高,電流密度大和本征電容低等特點,人們認為是納米電子器件的理想材料。

    零禁帶半導體材料石墨烯,因為具有很高的電子遷移速率、納米數量級的物理尺寸、優秀的電性能以及機械性能,必將成為下一代射頻芯片的熱門材料。

    射頻PA的線性化技術 

    射頻功率放大器的非線性失真會使其產生新的頻率分量,如對于二階失真會產生二次諧波和雙音拍頻,對于三階失真會產生三次諧波和多音拍頻。這些新的頻率分量如落在通帶內,將會對發射的信號造成直接干擾,如果落在通帶外將會干擾其他頻道的信號。為此要對射頻功率放大器的進行線性化處理,這樣可以較好地解決信號的頻譜再生問題。

    射頻功放基本線性化技術的原理與方法不外乎是以輸入RF信號包絡的振幅和相位作為參考,與輸出信號比較,進而產生適當的校正。目前己經提出并得到廣泛應用的功率放大器線性化技術包括,功率回退,負反饋,前饋,預失真,包絡消除與恢復(EER),利用非線性元件進行線性放大(LINC) 。較復雜的線性化技術,如前饋,預失真,包絡消除與恢復,使用非線性元件進行線性放大,它們對放大器線性度的改善效果比較好。而實現比較容易的線性化技術,比如功率回退,負反饋,這幾個技術對線性度的改善就比較有限。

    1、功率回退

    這是最常用的方法,即選用功率較大的管子作小功率管使用,實際上是以犧牲直流功耗來提高功放的線性度。

    功率回退法就是把功率放大器的輸入功率從1dB壓縮點(放大器有一個線性動態范圍,在這個范圍內,放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加。隨著輸入功率的繼續增大,放大器漸漸進入飽和區,功率增益開始下降,通常把增益下降到比線性增益低1dB時的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點,用P1dB表示。)向后回退6-10個分貝,工作在遠小于1dB壓縮點的電平上,使功率放大器遠離飽和區,進入線性工作區,從而改善功率放大器的三階交調系數。一般情況,當基波功率降低1dB時,三階交調失真改善2dB。

    功率回退法簡單且易實現,不需要增加任何附加設備,是改善放大器線性度行之有效的方法,缺點是效率大為降低。另外,當功率回退到一定程度,當三階交調制達到-50dBc以下時,繼續回退將不再改善放大器的線性度。因此,在線性度要求很高的場合,完全靠功率回退是不夠的。

    2、預失真

    預失真就是在功率放大器前增加一個非線性電路用以補償功率放大器的非線性失真。

    預失真線性化技術,它的優點在于不存在穩定性問題,有更寬的信號頻帶,能夠處理含多載波的信號。預失真技術成本較低,由幾個仔細選取的元件封裝成單一模塊,連在信號源與功放之間,就構成預失真線性功放。手持移動臺中的功放已采用了預失真技術,它僅用少量的元件就降低了互調產物幾dB,但卻是很關鍵的幾dB。

    預失真技術分為RF預失真和數字基帶預失真兩種基本類型。RF預失真一般采用模擬電路來實現,具有電路結構簡單、成本低、易于高頻、寬帶應用等優點,缺點是頻譜再生分量改善較少、高階頻譜分量抵消較困難。

    數字基帶預失真由于工作頻率低,可以用數字電路實現,適應性強,而且可以通過增加采樣頻率和增大量化階數的辦法來抵消高階互調失真,是一種很有發展前途的方法。這種預失真器由一個矢量增益調節器組成,根據查找表(LUT)的內容來控制輸入信號的幅度和相位,預失真的大小由查找表的輸入來控制。矢量增益調節器一旦被優化,將提供一個與功放相反的非線性特性。理想情況下,這時輸出的互調產物應該與雙音信號通過功放的輸出幅度相等而相位相反,即自適應調節模塊就是要調節查找表的輸入,從而使輸入信號與功放輸出信號的差別最小。注意到輸入信號的包絡也是查找表的一個輸入,反饋路徑來取樣功放的失真輸出,然后經過A/D變換送入自適應調節DSP中,進而來更新查找表。

    3、前饋

    前饋技術起源于"反饋",應該說它并不是什么新技術,早在二三十年代就由美國貝爾實驗室提出來的。除了校準(反饋)是加于輸出之外,概念上完全是"反饋"。 

    前饋線性放大器通過耦合器、衰減器、合成器、延時線、功分器等組成兩個環路。射頻信號輸入后,經功分器分成兩路。一路進入主功率放大器,由于其非線性失真,輸出端除了有需要放大的主頻信號外,還有三階交調干擾。從主功放的輸出中耦合一部分信號,通過環路1抵消放大器的主載頻信號,使其只剩下反相的三階交調分量。三階交調分量經輔助放大器放大后,通過環路2抵消主放大器非線性產生的交調分量,從而了改善功放的線性度。

    前饋技術既提供了較高校準精度的優點,又沒有不穩定和帶寬受限的缺點。當然,這些優點是用高成本換來的,由于在輸出校準,功率電平較大,校準信號需放大到較高的功率電平,這就需要額外的輔助放大器,而且要求這個輔助放大器本身的失真特性應處在前饋系統的指標之上。

    前饋功放的抵消要求是很高的,需獲得幅度、相位和時延的匹配,如果出現功率變化、溫度變化及器件老化等均會造成抵消失靈。為此,在系統中考慮自適應抵消技術,使抵消能夠跟得上內外環境的變化。


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