GaN器件和AMO技术推动实现高效率和宽带宽 技术

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作者: Cree公司 Raymond Pengelly, Ryan Baker, Mattias Astrom和Joel L. Dawson

随着无线通信的带宽、用户数目和地理覆盖范围的扩大，基站收发器的功率放大器部分对于更高效率的需求不断增长。无线功率放大器所消耗的功率超过了基站运行所需功率的一半。通过提高效率来减少功耗具有多项优势，首先，最明显的优势是降低了运营成本，同时，更少的废热意味着更低的设备冷却需求和更高的可靠性。如果能够减少对温升问题的关注度，那么无线运营商为了应对4G和未来技术所带来的无线数据使用量的大幅增加而选建设新基站时，其在选址方面会更加灵活。




图1: 具有四种幅值级别的AMO调制技术的理论效率，对比两级 AMO和 “一级”移相(或称为LINC，即“具有非线性成分的线性放大”)。

但是，更高的效率要求4G无线信号拥有更宽带宽和高线性，为了解决这个问题，最近新创企业Eta Devices正在为一项在麻省理工学院(MIT)开发的技术：非对称多级移相(asymmetric multilevel outphasing, AMO)技术进行商业化开发。此AMO技术将移相技术的高线性配备了提升效率、多级别、分立开关的漏极偏置电压。分立开关漏极偏置电压是支持宽带宽、同时保持高效率的关键所在，而这也是这项技术超越传统包络跟踪技术的最大优势。图 1 显示了AMO技术如何实现效率提升，超越单独的移相技术。

在任何移相系统中，最大化的效率是通过单个功率放大器的性能获取的。在大功率放大器设计中，Eta Devices公司使用GaN HEMT器件，这种器件的实际峰值漏极效率超过了80%。选用GaN技术是因为其具有相比现有硅器件的更好性能，后者在相同条件下峰值漏极效率仅勉强超过70%。

配合高性能RF放大器，电源开关系统必须针对具有最小瞬变的低损耗开关而优化，系统的时序是非常重要的，这就需要管理每个信号和控制路径中的延迟。一旦正确地同步，Eta Devices的专有数字预失真(DPD)技术就成为了实现4G系统的严苛相邻信道功率比 (ACPR)规范的关键。这种架构已经在多种功率级别和应用中实施，包括用于手机和WLAN传送器的1W PA(功率放大器)到用于基站的100W PA，并使用了多种半导体材料如GaN、GaA和硅材料。

AMO对比ET工作

目前，业界有两种众所周知通过非线性功率放大器来实现线性放大的方法，就是移相 (outphasing) 和包络跟踪(ET)。移相使用了两个在恒幅下工作的相位调制放大器，输入信号可转换为特征相位并送至放大器，其输出是组合的，以便相位成分的增强和删除能够准确复制输入的信号。在实践中，移相需要功率组合器，能够为每个PA提供一致的负载；在放大器之间实现隔离，并提供大功率处理能力。这些特性可能难以实现，尤其是在宽频带上。移相的另一个限制就是具有高峰值平均功率比 (peak-to-average power ratio)(低平均功率输出)的信号会导致效率降低，因为阻性负载浪费并消耗了许多放大器功率。

ET将RF信号分成单独的相位角和振幅成分。PA在饱和模式下工作，通常为开关模式之一，例如Class E。相位调制应用于RF驱动，而为PA供电的DC电源则通过振幅包络进行调制，因此相位和振幅同时在输出端还原。尽管ET非常普及，但它仍然受到4G和WLAN标准越来越多的带宽要求的挑战。对于ET来说，问题的关键是电源调制器，必须在许多不同的性能方面有所提升。它必须处理大量功率、效率很高、具有高线性度、具有高分辨率、在系统中几乎不产生噪声，并且支持宽频调制。现代的无线标准需要增加带宽而不放松任何其它性能要求，使得只采用ET技术的方案的未来前景受到怀疑。

移相和包络跟踪的设计挑战已由AMO解决，后者结合了移相和包络跟踪的最合适特性来改进性能。图2所示为AMO方框图，图2a显示了基本功能；图2b阐述了典型的实施方案。它从信号处理开始，提供相位调制信号给功率放大器，而功率放大器具有多级电源调制器。放大了的信号的输出结合了保持非线性PA高效率的高线性度。




图2: AMO方框图。

AMO解决方案的物理特性有利于在高效率下实现高带宽调制，但它是以在此AMO实施核心的非传统DPD方案为代价来实现的。虽然DPD架构是非传统的，但所需要的计算资源与传统DPD的并无不同。因此，它没有产生与增加了的数字复杂性相关的隐藏功率成本，所以不会损害总体效率的增益。总之，AMO允许权衡解决移相和包络跟踪行为的限制，从而实现了在每个方面都具有最佳特性的系统。




图3: 10 W Class E 1.95 GHz测试电路原理图。(注2)。




图4: Class E GaN放大器照片。

GaN器件和PA设计

核心开关模式(switch-mode) PA的效率决定了移相、ET和AMO等技术的最大系统效率。对于现有的无线通讯放大器，大多数最高效率的生产器件都采用GaN工艺来生产。例如，在麻省理工学院(MIT) (注2)开发的原型中使用的GaN HEMT器件(注1)?，它们在最大饱和输出功率上规定了65% (3.6 GHz) 和 > 70% (2 GHz) 的典型效率。图3所示为PA电路图，而图4是已组装的放大器照片。对于AMO应用，PA经设计在整个由阶梯式开关电源调制器提供的漏极电压范围具有良好的性能。

整体性能

一个完整的传送器(参见图5)包含了几种附加的系统成分。基带I和Q信号被传送至采用FPGA实现的数字预失真(DPD)和调制信号处理器中。在此系统中，DPD通过查找表来实现，该表是以PA上传送器在不同组合DC电平所测出的静态非线性特性来建立的。移相信道相位调制数据被传送到两个PA的数模转换器和相位调制器。振幅调制数据，以及粗略的延迟校正则驱动电源调制器电路。RF前置放大器提供了必需的驱动电平，而在输出端，组合器将PA输出汇总到一个RF输出中。




图5: 测试传送器方框图。

性能总结

AMO将单独采用移相和包络跟踪其中一种方法时所得的理想属性相结合。图6所示为四级AMO测试传送器的效率与带宽性能对比。AMO系统架构使用Class E GaN PA，与最新的DPD方案相结合，在1MHz带宽上提供了平均70%的已调制漏极效率，而在20MHz带宽上仅轻微降至68%。电源调制器损耗已包含在这一效率测量中。




图6: 在2.14GHz、100W峰值功率、7dB PAPR和ACPR > 45dBc上的效率与带宽对比。

图7显示了采用最新DPD方案的相邻信道中的频谱能量。在20MHz信道带宽上，ACPR性能大于54dBc，同时可保持68%的效率。效率与功率回退 (backoff)对比测量数据如图8所示。虽然在最大平均输出功率上，这些器件具有70%的已调制漏极效率 (包括调制器损耗)，但在功率回退上的性能可以说是更重要的。这是因为网络运营商几乎从来不在最大平均输出功率上运行他们的基站。相反地，它们通常以最大值的30至50% 工作。图8显示，对于最大平均功率的10dB功率回退，该器件系统仅损失10%的效率。对于具有7dB PAPR的信号，这实际上从峰值功率上回退了17dB。




图7: 20MHz BW, 7dB PAPR传送的频谱性能，载波频率为2.14GHz，输出功率为100W峰值。




图8: 在功率回退下的测量效率 (ACPR > 45dBc)。图中显示了四个单独的漏极电压，虚线说明了在整个功率回退范围上四级AMO如何达到系统效率。

这项技术正继续扩展其能力，专注于支持LTE和MC-GSM，实现软件定义无线电，并且迎接扩展的带宽标准比如WLAN的挑战。