現(xiàn)代RF放大器既需要線性也需要高效率。線性要求是源于現(xiàn)代調(diào)制方法的使用，如QAM（正交幅度調(diào)制）和OFDM（正交頻分多址調(diào)制，參考文獻(xiàn)1）。這些放大器還需要效率，以降低功耗和減少散熱。開發(fā)人員通常將現(xiàn)代RF放大器組件裝在天線桿內(nèi)。這些“桿頂”放大器的設(shè)計(jì)中，外殼可以不含風(fēng)扇且直接暴露在日光下。在功耗上每節(jié)省1W，就意味著少了1W的散熱器散熱需求。另外，對(duì)放大器過驅(qū)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致失真，產(chǎn)生諧波尖刺，使解調(diào)無(wú)法進(jìn)行。這些尖刺會(huì)落入鄰近的頻段，也許是手機(jī)公司并不擁有的頻段。FCC（聯(lián)邦通信委員會(huì)）對(duì)這種ACLR（鄰道泄漏比）有嚴(yán)格的限制。

　　所以，你有兩個(gè)理由去實(shí)現(xiàn)良好的線性度：這樣才能精確地調(diào)制信號(hào)，這樣你的信號(hào)才不會(huì)干擾鄰近的信號(hào)。同樣重要的是，你能在輸出級(jí)獲得最佳的功率效率。問題是，線性與效率是互斥的。

　　在頻域和時(shí)域中都可以查看RF放大器的失真。在時(shí)域中，能夠形象地看到一個(gè)通過RF放大器的切角或平頂正弦波，如同驅(qū)動(dòng)過度而靠近電壓軌的音頻信號(hào)一樣（圖1）。在頻域中，放大器失真表現(xiàn)為包含諧波的“邊緣”，它進(jìn)入了鄰近頻段范圍內(nèi)（圖2）。對(duì)于任何放大器，希望的功率越高，則得到的失真就越嚴(yán)重。在RF頻率下，不僅有幅度失真，還有相位失真，以及由于熱瞬變和電記憶效應(yīng)所帶來(lái)的失真（圖3）。相位失真出現(xiàn)于快速轉(zhuǎn)換速率區(qū)中，RF輸出滯后于輸入信號(hào)的情況，如當(dāng)載波信號(hào)進(jìn)入大地時(shí)，或當(dāng)一個(gè)調(diào)制包絡(luò)必須立即變到一個(gè)不同電平時(shí)。

　　為了在一個(gè)確定帶寬內(nèi)裝入更多信息，現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)依賴于準(zhǔn)確接收的RF信號(hào)包絡(luò)。有了準(zhǔn)確的電壓與相位，就可以解碼出代表某個(gè)數(shù)字碼的點(diǎn)的星座。這個(gè)碼產(chǎn)生出一個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，然后進(jìn)一步解碼成一個(gè)基帶語(yǔ)音或數(shù)據(jù)信號(hào)。

　　較老的調(diào)制方法對(duì)放大器的線性比較不敏感。AM（調(diào)幅）收音機(jī)與模擬電視廣播都使用AM方式，它依賴的是RF信號(hào)的峰值。任何失真對(duì)所有峰值都有相同影響，而對(duì)所有接收信號(hào)的質(zhì)量影響不大。FM（調(diào)頻）收音機(jī)與模擬電視的音頻信號(hào)采用的是FM方式，它取決于波形的零交越。因此任何幅度非線性都沒有影響。相位失真對(duì)零交越有影響，但它們是均勻的效果，不會(huì)影響FM調(diào)制。

　　提高RF放大器線性有多種技術(shù)。首先，可以采用更好的晶體管。于是，制造商會(huì)在RF晶體管生產(chǎn)中采用GaAs（砷化鎵）和其它III-V族半導(dǎo)體工藝，即至少一個(gè)III族元素和至少一個(gè)V族元素組成的化學(xué)化合物。另外，還可以嘗試用SiGe（硅鍺）晶體管，也許再加上CMOS工藝（參考文獻(xiàn)2）。雖然SiGe比GaAs慢，噪聲也大，但通常也夠用了，尤其是在低于3 GHz的頻率下。工程師面臨著在RF放大器中采用CMOS的壓力，因?yàn)樗某杀镜?，但CMOS的工作電壓低，因此難以在功率放大器中實(shí)現(xiàn)。CMOS還有高的噪聲系數(shù)，降低方法是增加晶體管結(jié)構(gòu)的尺寸，但這種辦法也增加了雜散電容，降低了產(chǎn)品的工作頻率。RFMD和其它公司提供藍(lán)寶石上做的CMOS，所有晶體管下面都有一個(gè)介電隔離層（參考文獻(xiàn)3）。這種方法有成本優(yōu)勢(shì)，減少了雜散電容。

　　受市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)實(shí)是，工程師們可以用CMOS制造用于Wi-Fi熱點(diǎn)應(yīng)用的小功率RF放大器。手機(jī)需要更特殊的工藝，如SOI（絕緣硅），GaAs將在近期手機(jī)基站上占支配地位。

　　一旦你的功率放大器有了線性良好的晶體管技術(shù)，接下來(lái)要關(guān)注放大器的架構(gòu)。你可以從一種間斷驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)（如Class C型）轉(zhuǎn)換到一種更連續(xù)的類型，如Class AB型。Class C的效率高，因?yàn)樗靡恢痪w管驅(qū)動(dòng)一個(gè)儲(chǔ)能電路，產(chǎn)生出供發(fā)射的RF正弦波。但遺憾的是，Class C放大器不適應(yīng)現(xiàn)代的線性需求，尤其是基站。獲得良好線性的一種方式是減少對(duì)放大器的驅(qū)動(dòng)，這樣晶體管就不會(huì)接近飽和，輸出電壓擺幅就完全處于電源軌的范圍內(nèi)。不幸的是，這種方案的效率最差。

　　為解決這個(gè)問題，可以嘗試采用一種Doherty放大器，它是一種復(fù)合型設(shè)備，使用了一個(gè)主通道和一個(gè)輔助RF通道，可以在信號(hào)強(qiáng)度低時(shí)節(jié)省功耗，而當(dāng)需要較高功率時(shí)，仍能適應(yīng)較大的信號(hào)擺幅（圖4）。Doherty放大器架構(gòu)運(yùn)行很好，但它增加了理想的簡(jiǎn)單放大器級(jí)的器件數(shù)和復(fù)雜性。

　　如果為了獲得效率而要將RF放大器置于飽和狀態(tài)，則可以嘗試用正反饋技術(shù)使之線性化。十多年來(lái)，RF設(shè)計(jì)者已成功地將這些技術(shù)用于手機(jī)基站。現(xiàn)在的問題是，用于4G（第四代）LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）的新調(diào)制方法有更高的要求。為了獲得更高的帶寬效率（以每赫茲比特度量），即便對(duì)最好的放大器，這些新的調(diào)制方法也提出了困難的線性要求。

　　這種狀況促使工程師們采用預(yù)失真（predistortion）技術(shù)對(duì)RF功率放大器做線性化（參考文獻(xiàn)4）。由于這類技術(shù)要對(duì)天線饋送的輸出做采樣，并送回輸入端，它看起來(lái)類似于所有模擬工程師都熟知的反饋技術(shù)。但是，預(yù)失真并不會(huì)給 一個(gè)誤差放大器提供反饋信號(hào)，因?yàn)镽F信號(hào)速度太快，無(wú)法將一個(gè)真正的載波頻率信號(hào)回送給誤差放大器。預(yù)失真采用的是一些算法，它們可精確預(yù)測(cè)放大器各種工作條件下的效應(yīng)，從而調(diào)節(jié)輸入信號(hào)，使之通過RF功放時(shí)有更好的線性。

　　可以設(shè)想一下算法的基礎(chǔ)功能。對(duì)一個(gè)擺幅大到接近電源軌的正弦載波，所有RF放大器都會(huì)將其抹平。因此，預(yù)失真算法會(huì)使這些較大幅度的正弦波有更尖銳的波峰。這樣，就可以從放大器獲得一個(gè)較純凈的正弦波。在時(shí)域中很容易看到這種情況。而在頻域中，可以將預(yù)失真想象成增加某種相位角的諧波成分，它抑制掉非線性RF功放所產(chǎn)生的尖刺。當(dāng)為一個(gè)預(yù)失真電路通電時(shí)，就可以看到鄰道尖刺的幅度大大減小。

　　通過一個(gè)類似想法的實(shí)驗(yàn)，也可以看到預(yù)失真算法如何補(bǔ)償一個(gè)放大器的相位誤差。由于相位誤差是可預(yù)測(cè)和可重復(fù)的，算法就可以修改輸入波形的時(shí)序，以去除任何放大器的滯后。在時(shí)域中，可以想象成算法在快速轉(zhuǎn)換速率期間超前于信號(hào)，使得放大器最終輸出一個(gè)干凈的正弦波。在頻域中，鄰道尖刺也達(dá)到了可以接受的水平。

　　現(xiàn)在的預(yù)失真算法已足夠完備，甚至可以消除熱效應(yīng)帶來(lái)的失真。高低溫對(duì)功率晶體管造成的失真是不同的。可以開發(fā)出一種算法，預(yù)測(cè)輸出晶體管的功耗。從這個(gè)預(yù)測(cè)中，可以推斷出晶體管的溫度，然后對(duì)輸入作適當(dāng)調(diào)節(jié)，從而使輸出保持為線性。這個(gè)算法必須考慮到所用散熱器以及周圍環(huán)境的熱時(shí)間常數(shù)。

　　數(shù)字預(yù)失真還是模擬預(yù)失真？

　　過去幾年來(lái)，手機(jī)基站制造商已接受了用數(shù)字預(yù)失真做放大器線性化的方法（圖5與參考文獻(xiàn)5）。此時(shí)，要用一個(gè)單向耦合器對(duì)RF輸出做采樣?？梢杂靡粋€(gè)混頻器，將千兆赫水平的信號(hào)下變頻到一個(gè)較低頻率。然后就可以用一個(gè)快速ADC對(duì)波形采樣。這些采樣被送至一片運(yùn)行預(yù)失真算法的FPGA，用于修正輸入波形，還給出一個(gè)數(shù)字的數(shù)據(jù)流。然后，F(xiàn)PGA輸出RF基帶信號(hào)或I（索引）和Q（正交）信號(hào)，再上變頻至手機(jī)所在頻段的RF載波效率。

　　建立這一系統(tǒng)的方法有多種（參考文獻(xiàn)6）。通過采用獨(dú)立的ADC和下變頻芯片，可以針對(duì)需求優(yōu)化自己的系統(tǒng)，并使用可以從很多供應(yīng)商獲得的標(biāo)準(zhǔn)化部件。例如，Hittite、Analog Devices、德州儀器公司、凌力爾特公司以及Intersil公司（參考文獻(xiàn)7）都制造可用于分立數(shù)字預(yù)失真電路的硅芯片。

　　很多工程師都熟悉Altera公司的FPGA在數(shù)字領(lǐng)域的使用。該公司的MegaCore IP（智能產(chǎn)權(quán)）可完成預(yù)失真的數(shù)字部分運(yùn)算（參考文獻(xiàn)8）。Analog Devices公司與Altera公司合作，提供一種混合信號(hào)的數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)板，而德州儀器公司提供GC5325這類發(fā)射處理器器件，以降低信號(hào)波峰系數(shù)，以及抵消功放的失真（圖6）。Xilinx公司為自己的Virtex-4和Virtex-5 FPGA提供一個(gè)數(shù)字預(yù)失真的參考設(shè)計(jì)。由于手機(jī)基站承載了較多的RF通道，空間就成為了一個(gè)問題。凌力爾特公司等的解決方法是將整個(gè)數(shù)字預(yù)失真電路集成為L(zhǎng)TM9003微模塊（圖7）。

　　盡管手機(jī)基站制造商接受數(shù)字系統(tǒng)，但供應(yīng)商們?cè)诓蓸訑?shù)據(jù)系統(tǒng)中做的主要是模擬電路，這帶來(lái)了成本、功耗和空間不利因素。替代方法是用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)RF放大器的線性。例如，新興公司Scintera Networks將目標(biāo)瞄準(zhǔn)了5W區(qū)間的小功率RF系統(tǒng)，還有UHF（超高頻）電視發(fā)射站的信號(hào)路徑（圖8）。這種方法會(huì)采樣驅(qū)動(dòng)級(jí)的RF信號(hào)，使RF信號(hào)保持在模擬域中，但通過采用一種波形的Volterra Series擴(kuò)展，對(duì)其作因數(shù)修正。Volterra Series是一種非線性性能的模型，類似于Taylor Series，不過Volterra Series可以表達(dá)記憶效應(yīng)。Scintera公司的方案會(huì)對(duì)RF輸出作采樣和數(shù)字化，采樣結(jié)果被送入該公司芯片中的數(shù)字電路。該設(shè)計(jì)用數(shù)字段計(jì)算出RF信號(hào)鏈的模擬因數(shù)，然后用另一個(gè)單向耦合器，將經(jīng)Volterra因數(shù)修正的RF信號(hào)混合回到RF路徑中。系統(tǒng)只需要在芯片中處理足夠的RF，就能校正放大器的失真。大多數(shù)RF功率都在主RF路徑內(nèi)，而繞過了IC。Scintera公司將RF保持在模擬域，提供了一個(gè)功耗遠(yuǎn)低于數(shù)字預(yù)失真方式的系統(tǒng)（圖9）。

　　要注意，數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試都不是簡(jiǎn)單的任務(wù)。你需要完備的RF設(shè)計(jì)工具，如AWR公司的Microwave Office以及Agilent公司的ADS（參考文獻(xiàn)9）。除了用先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備確定RF路徑的特性以外，可能還需要購(gòu)買和學(xué)習(xí)專用的測(cè)試設(shè)備，如一臺(tái)實(shí)時(shí)頻譜分析儀（參考文獻(xiàn)10）。

　　無(wú)論是采用模擬預(yù)失真還是數(shù)字預(yù)失真，都可以減少RF設(shè)計(jì)中的干擾，并使用先進(jìn)的調(diào)制方法。最重要的是，預(yù)失真可以將RF放大器驅(qū)動(dòng)至接近飽和狀態(tài)，從而提高了功率效率。你可以用分立芯片自己搭建系統(tǒng)， 也可以使用封裝內(nèi)已集成所有功率的微模塊。在ADC以及下變頻IC中實(shí)現(xiàn)所需線性是半導(dǎo)體公司的一項(xiàng)成就。這些公司都有自己的應(yīng)用專家，可以幫助你設(shè)計(jì)出RF信號(hào)路徑，滿足所有的規(guī)范要求、減少功耗，并提供每兆赫茲最大位數(shù)。

　　參考文獻(xiàn)

　　1. Rako, Paul, “Heads and tails: Design RF amplifiers for linearity and efficiency,” EDN, April 3, 2008, pg 31.

　　2. Rako, Paul, “Silicon germanium: fast, quiet, and powerful,” EDN, Sept 18, 2008, pg 27.

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　　4. Ding, Lei, “Digital Predistortion of Power Ampli?ers for Wireless Applications,” Georgia Institute of Technology, March 2004.

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　　6. Rako, Paul, “Integration in the other direction,” EDN, Jan 21, 2010, pg 24.

　　7. Sills, James, “Improving PA Performance with Digital Predistortion,” EETimes, Oct 2, 2002.

　　8. “Digital Predistortion,” Altera.

　　9. Mekechuk, Kelly; Wan-Jong Kim; Shawn P Stapleton; and Jong Heon Kim, “Linearizing Power Amplifiers Using Digital Predistortion, EDA Tools and Test Hardware,” High Frequency Electronics, April 2004.

　　10. Dasilva, Marcus, and Steve Stanton, “Boost PA Efficiency With Digital Predistortion,” Microwaves & RF, August 2007.