GaN组件和AMO技术实现更高效率与宽带

admin

随着无线通信的带宽、用户数目以及地理覆盖范围扩展，基地台收发器的功率放大器(PA) 部份对于更高效率的需求也不断成长。无线功率放大器所消耗的功率超过了基地台运作所需功率的一半。透过提高效率来减少功耗具有多项优势，首先，最明显的好 处是降低运营成本；同时，更少的热意味着更低的设备冷却需求以及更高的可靠性。如果能够减少对于温度升高问题的关注度，那么无线业者在因应4G和下一代技 术带来无线资料用量大幅增加而定位建设新基地台时，会有更大的弹性。
           
          更高的效率需要4G无线讯号拥有更宽的频带和高线性度。为了解决这个问题，最近新创企业Eta Devices正为一项在麻省理工学院(MIT)开发的技术进行商业化开发——‘非对称多级移相’(asymmetric multilevel outphasing；AMO)技术。AMO技术结合了移相技术的高线性度以及高效率、多层级、独立开关的漏极偏置电压。独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，也是这项技术超越传统封包追踪技术的最大优势。图1显示AMO技术如何实现效率提升，超越单独的移相技术。
           

       
        图1：具有四种不同振幅级的AMO调变技术效率理论值，以及双级AMO和单级移相(或称LINC——具非线性成份的线性放大)。

         

          在任何移相系统中，最大化的效率可经由单一功率放大器的性能而取得。在高功率放大器设计中，Eta Devices公司使用实际峰值漏极效率超过80%的GaN HEMT组件，因为它具有相比现有硅晶组件更好的性能——硅晶组件在相同条件下的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，它需要管理每个讯号和控制路径中的延迟。一旦正确地进行同 步，Eta Devices的专有数字预失真(DPD)技术就成为实现4G系统相邻信道功率比(ACPR)规范的关键。这种架构已经建置于多种功率级和应用中，包括用 于手机和WLAN传送器的1W PA到用于基地台的100W PA，并使用多种半导体材料如GaN、GaA和硅晶材料。
           
          AMO与ET技术比较
          目前有两种透过非线性功率放大器实现线性放大功能的常用方法——移相(outphasing)和封包追踪(ET)。移相法使用两种作业于?定振幅的相位调变 放大器，其输入讯号可转换为合适的相位并送至放大器，而其输出讯号则经由组合使讯号中相位成份的增强与删除能够准确复制输入讯号。实际上，移相法需要功率 组合器为每个PA提供一致的负载，在放大器之间实现隔离，并提供高功率处理能力。这些特性可能难以实现，特别是在宽带带上。移相法的另一个限制是具有高峰 值平均功率比(peak-to-average power ratio；低平均功率输出)的讯号导致效率降低，因为电阻负载耗用许多放大器功率。
           
          ET 法则将RF讯号分成单独的相位角和振幅成分。PA在饱和模式下作业，通常是开关模式之一，例如Class E。相位调变应用于RF驱动，而为PA供电的DC电源则经由振幅封包进行调变，因而使相位和振幅同时在输出端还原。尽管ET非常普及，但仍然受到4G和 WLAN标准带宽持续增加需求的挑战。对于ET来说，问题的关键在于电源调变器，必须在许多不同的性能方面有所提升。它必须能处理大量功率且极具高效率、 高线性度、高分辨率，以及几乎不为系统带来任何噪声，而且支持宽带调变。现代的无线标准必须不断地增加带宽而不折衷任何性能，使得只采用ET技术的方案前 景受到质疑。
           
          AMO由于结合了移相和ET技术中提升性能时最需要的特性，因而能够用于解决移相和封包追踪案的设计挑战。图2 显示AMO的方块图，其中图2a是基本功能，图2b则描述典型的建置方案。它首先从讯号处理开始，即为具有多级电源调变器的PA提供相位调变讯号。其输出 结合高线性度的放大讯号，从而维持非线性PA的高效率。
           

       
        图2：AMO技术方块图

         

         
          尽管AMO解决方案的实体特性有利于在高效率下实现高带宽调变，但却可能牺牲在此AMO建置核心的非传统DPD方案。虽然DPD架构是非传统的，但所需的运 算资源与传统DPD的并无不同。因此，它并不至于因为数字复杂度提高而导致可能损害总效率增益的潜在功率成本。AMO容许某种权衡折衷，以解决移相和封包 追踪行为的限制，从而实现在各方面都具有最佳特性的系统。
           

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

         

          GaN组件和PA设计
          核心的开关模式(switch-mode)PA效率决定了移相、ET和AMO等技 术的最高系统效率。对于目前的无线通信放大器来说，大多数最高效率的产品组件都采用GaN制程来生产。例如美国麻省理工学院(MIT)开发的原型中使用的 GaN HEMT组件在最大饱和输出功率时规定65%(3.6GHz)和>70%(2GHz)的典型效率。图3显示PA的电路图，图4则是组装的放大器照 片。对于AMO应用来说，PA的设计目的是在整个由阶梯式开关电源调变器提供的漏极电压范围内具有良好的性能。
           

       
        图4：Class E GaN放大器照片。

         

          整体性能
          一 个完整的传送器(参见图5)包含几种额外的系统组成。基频I和Q讯号被传送至采用FPGA建置的DPD和调变讯号处理器中。在此系统中，DPD采用查找表 来进行建置，该查找表是由PA上的传送器针对不同DC电平组合所测得的静态非线性所建构的。移相信道相位调变数据被传送到两个PA的数字模拟转换器 (DAC)和相位调变器。振幅调变数据以及粗略延迟校正则用于驱动电源调变器电路。RF前置放大器提供必要的驱动电平，而在输出端，组合器将PA输出汇整 至一个RF输出中。
           

       
        图5：测试传送器方块图。

         

         
          性能总结
          AMO结合了移相和ET技术在单独使用时所需的特性。图6显示四级AMO测试传送器的效率与宽带性能。AMO系统架构使用Class E GaN PA，结合最新的DPD建置，在1MHz带宽提供平均70%的调变漏极效率，而在20MHz带宽上仅微幅降至68%的效率。在这一效率测量中还包括了电源调变器损耗。
           

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

         

          图7显示了采用最新DPD建置时相邻通道中的频谱能量。在20MHz信道带宽时，ACPR性能大于54dBc，同时可保持在68%的效率。效率与功率回退 (backoff)比较的测量数据如图8所示。虽然这些组件在最大平均输出功率上具有70%的调变漏极效率 (包括调变器损耗)，但在功率回退时的性能可说是更重要的。这是因为电信业者的基地台几乎从来不会在最大平均输出功率时运作。相反地，它们通常以最大值的 30至50%效率工作。图8显示，对于最大平均功率的10dB功率回退，该组件系统仅损失10%的效率。针对具有7dB PAPR的讯号，实际上则是从峰值功率上回退了17dB。
           

       
        图7：20MHz带宽、7dB PAPR传送时的频谱性能，载波频率为2.14GHz，输出功率峰值为100W。

       
        图8：在功率回退时的测量效率(ACPR>45dBc)。图中显示四个单独的漏极电压，以虚线说明四级AMO如何在整个功率回退范围时达到系统效率。8。

         

          这项技术正继续扩展其能力，专注于支持LTE和MC-GSM，以实现软件定义无线电(SDR)，同时迎接WLAN等持续扩展中的宽带标准挑战。