射频功率放大器的基本概念

射频功率放大器（rfpa）是传输系统的主要组成部分，其重要性不言而喻。在发射机的正向电路中，调制振荡电路产生的射频信号非常小。经过一系列放大（缓冲级、中间放大级和最后一级功率放大级），可以获得足够的射频功率，然后才能馈送到天线进行辐射。为了获得足够的射频输出功率，必须使用射频功率放大器。调制器产生射频信号后，射频放大器将射频调制信号放大到足够的功率，然后通过匹配网络由天线发射。

放大器的功能是放大和输出输入内容。输入和输出的内容，我们称之为“信号”，通常表示为电压或功率。对于放大器这样的“系统”，它的“贡献”是将它“吸收”的东西提高到一定水平，并向外界“输出”。如果放大器能够有良好的性能，它可以贡献更多，这反映了它自己的“价值”。如果放大器出现一些问题，它不仅在开始工作或工作一段时间后不能再提供任何“贡献”，而且可能会出现一些意外的“冲击”。这种“冲击”对外界或放大器本身都是灾难性的。

射频功率放大器的主要技术指标是输出功率和效率。如何提高输出功率和效率是射频功率放大器设计的核心目标。在射频功率放大器中，通常通过LC谐振电路选择基频或某一谐波来实现无失真放大。此外，输出中的谐波分量应尽可能小，以避免与其他通道的干扰。

根据不同的工作条件，功率放大器分类如下：

传统线性功率放大器的工作频率很高，但相对频带较窄。射频功率放大器一般采用频率选择网络作为负载环。根据电流传导角的不同，射频功率放大器可分为三种工作状态：a（a）、B（B）和C（C）。a类放大器电流的导通角为360°，适用于小信号、低功率放大。B类放大器电流的导通角等于180°，C类放大器电流的导通角小于180°。B级和C级均适用于大功率工作状态。在三种工作状态中，C类工作状态的输出功率和效率最高。大多数射频功率放大器工作在C类，但C类放大器的电流波形失真太大，只能用于带调谐回路的负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流和电压仍接近正弦波，失真很小。

开关模式PA（SMPA）使电子设备能够在开关状态下工作。常见的是D（D）类放大器和E（E）类放大器，D类放大器的效率高于C类放大器。SMPA驱动有源晶体管进入开关模式。晶体管的工作状态是开或关。电压和电流的时域波形之间没有重叠，因此直流功耗为零，预期效率可以达到100%。

传统的线性功率放大器增益和线性度高，但效率低；而开关功率放大器效率高，输出功率高，但线性度差。详见下表：
电路组成

有不同类型的放大器。为了简化，放大器的电路可以由以下部分组成：晶体管、偏置和稳定电路、输入和输出匹配电路。
1-1. 晶体管

晶体管有很多种，包括各种结构的晶体管的发明。本质上，晶体管作为受控电流源或电压源工作，其工作机制是将不含内容的直流能量转换为“有用”输出。直流电能从外部获得，由晶体管消耗并转换成有用的元件。不同的晶体管有不同的“能力”，例如它们承受功率的能力，这也是由于它们获得直流电能的能力；例如，它的反应速度不同，这决定了它能在多宽和多高的频带内工作；例如，其面对输入和输出端子的阻抗不同，其外部响应能力也不同，这就决定了匹配的难度。

1-2. 偏置电路和稳定电路

偏置电路和稳定电路是两种不同的电路，但它们往往难以区分，设计目标趋于一致，因此可以一起讨论。

晶体管需要在特定的偏置条件下工作，我们称之为静态工作点。这是晶体管的基础和它自己的“定位”。每个晶体管都有自己的特定位置。其不同的定位将决定其自身的工作模式，不同的定位有不同的性能。有些定位点波动小，适合小信号运行；有些定位点波动较大，适合大功率输出；有些定位点要求少，释放纯，适合低噪声工作；在某些固定点，晶体管总是在饱和和截止之间徘徊，并处于通断状态。适当的偏移点是正常运行的基础。在设计宽带功率放大器时，或在工作频率较高时，偏置电路对电路性能有很大影响。此时，应将偏置电路视为匹配电路的一部分。

偏移网络有两种类型，无源网络和有源网络。无源网络（即自偏置网络）通常由电阻网络组成，为晶体管提供合适的工作电压和电流。它的主要缺点是对晶体管参数的变化非常敏感，温度稳定性差。有源偏置网络可以提高静态工作点的稳定性和良好的温度稳定性，但也存在一些问题，如增大电路尺寸、增加电路布局难度和增加功耗等。

稳定电路必须在匹配电路之前，因为晶体管需要将稳定电路作为自身的一部分存在，然后与外部世界接触。在外界看来，电路稳定的晶体管是一种“新”晶体管。它做出某些“牺牲”，并获得稳定。稳定电路的机制可以确保晶体管的平稳运行。
1-3. 输入/输出匹配电路

匹配电路的目的是选择一种可接受的方式。对于希望提供更大增益的晶体管，方法是整体接受和输出。这意味着通过匹配电路的接口，不同晶体管之间的通信更加顺畅。对于不同的放大器类型，匹配电路不仅仅是一种“全面接受”的设计方法。一些小DC和浅基础的小管在接受时更愿意阻挡，以获得更好的噪声性能。然而，他们不能阻止太多，否则他们的贡献将受到影响。对于一些巨型功率管，它们的输出需要谨慎，因为它们更不稳定。同时，一定的保留将帮助他们发挥更多的“不失真”的能量。

典型的阻抗匹配网络包括l匹配、π匹配和T匹配。其中，l匹配的特点是结构简单，只有两个自由度l和C。一旦确定了阻抗变换比和谐振频率，也就确定了网络的Q值（带宽）。π形匹配网络的一个优点是，无论连接什么类型的寄生电容，它都可以被吸收到网络中，这也导致了π形匹配网络的普遍应用，因为在许多实际情况下，主要的寄生元件是电容。T形匹配，当电源端和负载端的寄生参数主要是电感时，可以使用T形匹配将这些寄生参数吸收到网络中。
如何保证射频功率放大器的稳定性

每个晶体管都可能不稳定。稳定性好的电路可以与晶体管集成，形成“可持续工作”模式。稳定电路的实现可分为两类：窄带和宽带。

窄带稳定电路是实现一定增益消耗的电路。该稳定电路通过增加一定的消耗电路和选择电路来实现。这种电路使晶体管只在一个小的频率范围内起作用。另一种宽带稳定性是引入负反馈。这个电路可以在很宽的范围内工作。

不稳定的根源是正反馈。窄带稳定性的概念是抑制一些正反馈。当然，这也抑制了贡献。如果负反馈做得好，还有许多额外的令人满意的优点。例如，负反馈可能会阻止晶体管匹配，并且它们可以在不匹配的情况下与外部世界很好地通信。此外，负反馈的引入将改善晶体管的线性性能。

射频功率放大器的效率提高技术

晶体管的效率在理论上是有限的。该限值随偏移点（静态工作点）的选择而变化。此外，外围电路的糟糕设计将大大降低其效率。目前，工程师们几乎没有提高效率的方法。只有两种：包络跟踪技术和多尔蒂技术。

包络跟踪技术的实质是将输入信号分为相位和包络两类，然后通过不同的放大电路进行放大。通过这种方式，两个放大器可以集中在各自的部件上，并且它们的合作可以实现更高效率利用率的目标。

多尔蒂技术的本质是，它使用两个类似的晶体管，只有一个工作在一个小的输入，并在高效率的状态。如果输入增加，两个晶体管同时工作。这种方法基于两个晶体管之间的默契。一个晶体管的工作状态将直接决定另一个晶体管的工作效率。
射频功率放大器面临的测试挑战

功率放大器是无线通信系统中非常重要的组成部分，但它是非线性的，会导致频谱扩散和对相邻信道的干扰，并可能违反法律法规实施的带外辐射标准。这种特性甚至会导致带内失真，增加误码率（BER），降低通信系统的数据传输速率。

在峰均功率比（PAPR）下，新的OFDM传输格式会有更多的偶然峰值功率，这使得PA难以分割。这将降低频谱屏蔽顺应性，扩大整个波形的EVM，并增加BER。为了解决这个问题，设计工程师通常故意降低功率放大器的工作功率。不幸的是，这是一种非常低效的方法，因为如果功率放大器将工作功率降低10%，将损失90%的直流功率。
目前，大多数射频功率放大器支持多种模式、频率范围和调制模式，这使得测试项目更多。数以千计的测试项目并不少见。诸如峰值因子降低（CFR）、数字预失真（DPD）和包络跟踪（ET）等新技术的应用有助于优化PA效率和功率效率，但这些技术只会使测试更加复杂，并大大延长设计和测试时间。增加RF PA的带宽将使DPD测量所需的带宽增加5倍（可能超过1GHz），从而进一步增加测试复杂性。

根据这一趋势，为了提高效率，RF PA组件和前端模块（FEM）将更加紧密地集成，而单个FEM将支持更大范围的频带和调制模式。将包络跟踪电源或调制器集成到FEM中可以有效地降低移动设备内部的总体空间需求。为了支持更大的工作频率范围，大量的滤波器/双工器插槽将增加移动设备的复杂性和测试项目的数量。

半导体材料的变化：

葛思→ 砷化镓、铟→ SiC，Gan，SiGe，SOI→ 碳纳米管→ 石墨烯。

目前，功率放大器的主流工艺仍然是GaAs工艺。此外，砷化镓HBT，砷化镓异质结双极晶体管。异质结双极晶体管（HBT）是由砷化镓（GaAs）层和铝镓砷（AlGaAs）层组成的双极晶体管。

虽然CMOS技术已经相对成熟，但Si-CMOS功率放大器的应用并不广泛。在成本方面，虽然CMOS工艺的硅片相对便宜，但CMOS功率放大器的版图面积相对较大，再加上CMOS PA复杂设计投入的研发成本较高，CMOS功率放大器的整体成本优势并不明显。就性能而言，CMOS功率放大器在线性度、输出功率和效率方面表现不佳，加上CMOS工艺固有的缺点：高拐点电压、低击穿电压和CMOS工艺衬底的低电阻率。

碳纳米管（CNTs）具有物理尺寸小、电子迁移率高、电流密度大、固有电容低等优点，被认为是纳米电子器件的理想材料。

石墨烯是一种零禁带半导体材料，由于其高电子迁移率、纳米物理尺寸、优异的电学和力学性能，将成为下一代射频芯片的热门材料。
射频功率放大器的线性化技术

射频功率放大器的非线性失真会产生新的频率成分，如二阶失真的二次谐波和双音拍，三阶失真的三次谐波和多音拍。如果这些新的频率分量落在通带内，它们将直接干扰传输信号。如果它们落在通带之外，就会干扰其他通道的信号。因此，需要对射频功率放大器的频谱进行线性化，以更好地解决信号频谱再生问题。

射频功率放大器基本线性化技术的原理和方法是以输入射频信号包络的幅度和相位为基准，将其与输出信号进行比较，然后进行适当的校正。目前，提出并广泛应用的功率放大器线性化技术包括功率回退、负反馈、前馈、预失真、包络消除和恢复（EER）以及使用非线性元件的线性放大（Linc）。更复杂的线性化技术，如前馈、预失真、包络消除和恢复以及使用非线性元件的线性放大，对放大器的线性度有更好的影响。易于实现的线性化技术，如功率回退和负反馈，对线性度的改善有限。
2-1. 功率回退

这是最常用的方法，即选择高功率管作为低功率管实际上是为了提高功率放大器的线性度，而牺牲直流功耗。

功率回退法是将功率放大器的输入功率从1dB压缩到某一点（放大器有一个线性动态范围，在该范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加。随着输入功率持续增加，放大器逐渐进入饱和区域，功率增益开始降低。通常，当增益降低到1dB时，输出功率值低于线性gain定义为输出功率的1dB压缩点，单位为p1db。）退避6-10分贝，在远小于1dB的压缩点工作，使功率放大器远离饱和区，进入线性工作区，以提高功率放大器的三阶互调系数。通常，当基波功率降低1dB时，三阶互调系数调制失真提高了2dB。

功率回退法简单易实现，不需要增加任何附加设备，是提高放大器线性度的有效方法，缺点是效率大大降低，另外，当功率回退达到一定程度，三阶交叉调制达到以下情况时w-50dbc，持续的回退将不再改善放大器的线性度。因此，在线性度要求高的情况下，完全依靠功率回退是不够的。
2-2. 预失真

预失真是在功率放大器前面增加一个非线性电路，以补偿功率放大器的非线性失真。

预失真线性化技术的优点是不存在稳定性问题，具有更宽的信号频带，可以处理多载波信号。预失真技术是第一个模拟考试。这是一种低成本的前置放大器技术。它由几个精心挑选的组件打包成一个模块。手持移动台功率放大器采用了预失真技术。它减少了几分贝的互调产品，只有几个组件，但它是一个关键的几分贝。

预失真技术分为两种基本类型：射频预失真和数字基带预失真。射频预失真一般采用模拟电路实现，具有电路结构简单、成本低、易于高频宽带应用等优点。缺点是频谱再生分量改善较少，高阶频谱分量难以消除。

数字基带预失真由于其工作频率低，可以通过数字电路实现。它具有很强的适应性，可以通过增加采样频率和量化阶数来抵消高阶互调失真。这是一种很有前途的方法。预失真器由矢量增益调节器组成，该调节器根据查找表（LUT）的内容控制输入信号的幅度和相位，预失真的大小由查找表的输入控制。一旦对矢量增益调节器进行优化，它将提供与功率放大器相反的非线性特性。理想情况下，输出互调乘积应等于通过功率放大器的双音信号的输出振幅，但相位相反，即自适应调整模块调整查找表的输入，从而使功率放大器的输入信号和输出信号之间的差异最小化。请注意，输入信号的包络也是查找表的输入。反馈路径对功率放大器的畸变输出进行采样，然后通过a/D转换将其发送给自适应调整DSP，以更新查找表。
2-3. 前馈

前馈技术起源于“反馈”。应该说，这不是一项新技术。早在20世纪20年代和30年代，美国贝尔实验室就提出了这一方案。除了将校准（反馈）添加到输出之外，它在概念上完全是“反馈”。

前馈线性放大器由通过耦合器、衰减器、合成器、延迟线和功率分配器的两个环路组成。射频信号输入后，通过功率分配器分为两个通道。一路进入主功率放大器，由于其非线性失真，输出端不仅有被放大的主频信号，而且还有三阶互调干扰。一部分信号从主功率放大器的输出耦合，放大器的主载波频率信号通过环路1被抵消，只留下反向三阶互调分量。辅助放大器放大三阶互调分量后，通过环路2消除主放大器非线性产生的互调分量，从而提高功率放大器的线性度。

前馈技术不仅具有准精度高的优点，而且不存在不稳定性和带宽限制的缺点。当然，这些优势是以高成本获得的。由于输出校准中的大功率电平，校准信号需要放大到更高的功率电平，这需要额外的辅助放大器，并且辅助放大器本身的失真特性应高于前馈系统的指标。

前馈功率放大器的偏置要求很高，需要进行幅度、相位和延时的匹配。偏移故障将由功率变化、温度变化和设备老化引起。因此，系统中考虑了自适应对消技术，使对消能跟上内外部环境的变化。