GaN器件和AMO技术推动实现高效率和宽带宽

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。