在5G通信中需要高性能的功率放大器

在功率放大器（PA）中沒有實(shí)現(xiàn)高線性度的快速方法。PA在手機(jī)的通信基礎(chǔ)架構(gòu)中扮演著非常重要的角色。PA的性能要求將變得更加嚴(yán)格，尤其是隨著5G蜂窩移動(dòng)通信的采用（圖1）。

圖1.第五代蜂窩移動(dòng)通信

在本文中，我們討論5G通信技術(shù)將實(shí)現(xiàn)的功能和優(yōu)勢(shì)，以及對(duì)功率放大器設(shè)計(jì)的相應(yīng)要求。

此外，我們檢查了最常用的PA線性化技術(shù)，并評(píng)估它們是否適合滿足PA要求。稍后，我將研究低功耗線性化器IC，并考慮其在5G應(yīng)用中降低PA功耗和簡(jiǎn)化PA設(shè)計(jì)的潛力。

5G設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

5G在許多方面都優(yōu)于當(dāng)前的通信技術(shù)。更高的數(shù)據(jù)速率同時(shí)提供給更多用戶，并且移動(dòng)設(shè)備的電池壽命將得到延長(zhǎng)。為此，PA必須以盡可能高的效率和更寬的帶寬（最高100 MHz）運(yùn)行。

放大器線性度

如果PA是完全線性的，則它應(yīng)該只能放大并輸出所需的輸入信號(hào)。但是，實(shí)際上，不存在這樣的PA。實(shí)際上，由于輸出信號(hào)是非線性的，因此會(huì)產(chǎn)生失真，并且失真會(huì)隨著放大器接近飽和點(diǎn)而增加（圖2）。

圖2.輸出功率和失真之間的關(guān)系

當(dāng)施加多音調(diào)輸入信號(hào)時(shí)，由于它們是非線性的，所以在PA輸出端會(huì)出現(xiàn)不需要的相互調(diào)制頻率（圖3）。

圖3. PA產(chǎn)生的互調(diào)

為了減少PA失真，必須使用某種形式的線性化。以下各節(jié)描述了5G環(huán)境中最常見的線性化技術(shù)的行為和適用性。

限制最大輸出功率電平以使整個(gè)信號(hào)落在PA傳輸曲線的線性區(qū)域內(nèi)的技術(shù)通常稱為“補(bǔ)償”。這種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法的缺點(diǎn)在于，PA的效率（將DC功率轉(zhuǎn)換為RF能量的能力）會(huì)隨著PA的工作點(diǎn)遠(yuǎn)離飽和點(diǎn)而降低。

在某些系統(tǒng)中，滿足信號(hào)峰均功率比（PAR）要求所需的補(bǔ)償可以將PA效率降低到8％。結(jié)果，功耗和系統(tǒng)實(shí)施成本增加，并且需要大的散熱器。

主動(dòng)線性化

為了在不降低效率的情況下提高PA線性度，需要一種稱為“預(yù)失真”的有源線性化。該技術(shù)“預(yù)測(cè)”了由PA固有的非線性引起的失真量，并將其反相信號(hào)注入到信號(hào)路徑中，從而減小了放大器輸出端的無(wú)用信號(hào)與無(wú)用信號(hào)之比。（圖4）。這被指定為相鄰信道功率比（ACLR），并且必須至少為-50dBc。

圖4.具有預(yù)失真線性化的PA的輸出特性

有源線性化有兩種常見類型：數(shù)字預(yù)失真（DPD）和RF功率放大器線性化（RFPAL）。

DPD

如圖5所示，數(shù)字預(yù)失真（DPD）在信號(hào)鏈（數(shù)字基帶）的最早點(diǎn)將預(yù)失真校正信號(hào)添加到所需信號(hào)中。

圖5.數(shù)字預(yù)失真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

DPD系統(tǒng)可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)。雖然提供全功能版本（基帶，數(shù)字，配備射頻），但某些解決方案使用單獨(dú)的數(shù)字基帶和離散射頻。

另一解決方案包括FPGA和RF收發(fā)器（以及DPD測(cè)量路徑）。但是，RF收發(fā)器必須以輸入信號(hào)帶寬頻率的五倍運(yùn)行，從而增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，占板面積和功耗（典型值為5W），以用于小型，低功耗應(yīng)用在某些情況下，DPD不是一種好的線性化技術(shù)。

RFPAL

圖6顯示了系統(tǒng)的高級(jí)框圖，該系統(tǒng)利用了另一種稱為RF功率放大器線性化（RFPAL）的有源線性化和預(yù)失真技術(shù)。

圖6.射頻預(yù)失真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

該技術(shù)利用獨(dú)立的RF?IN /?RF?OUT架構(gòu)和自適應(yīng)RF預(yù)失真技術(shù)，僅在所需的點(diǎn)（PA的輸入）注入校正信號(hào)。

這意味著該系統(tǒng)由更簡(jiǎn)單，更小的發(fā)射機(jī)和基帶組成，可以在較低的頻率（輸入信號(hào)帶寬）下運(yùn)行，并且功耗比DPD系統(tǒng)低。直到最近，使用RFPAL的最大線性化輸入通道帶寬僅為60MHz。圖7顯示了克服了這一問題的新型RFPAL IC。

圖7. SC1905?RFPAL標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用電路

該器件的工作頻率范圍高達(dá)3.8 GHz，線性化的輸入信號(hào)帶寬高達(dá)100 MHz。功耗為1280mW，比DPD解決方案低70％。圖8顯示了使用該線性化器測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)PA的ACLR和效率性能（5個(gè)不連續(xù)的20MHz LTE通道，PAR 10dB）。

圖8.使用SC1905?RFPAL的PA ACLR

在37dBm的輸出功率水平下，該P(yáng)A的效率為23％，ACLR為-50dB（關(guān)閉RFPAL時(shí)，ACLR大約好8dB）。此外，RFPAL器件已經(jīng)由數(shù)個(gè)廣泛使用的PA（A類，AB類和Doherty）進(jìn)行了評(píng)估，使其成為一種“即插即用”解決方案，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并縮短了開發(fā)時(shí)間。它導(dǎo)致縮短和降低風(fēng)險(xiǎn)。

該IC是因?yàn)樗呀?jīng)在9毫米×9毫米QFN封裝被提供，所述溶液（電源，散熱片，包括外殼）的整體尺寸是6.5厘米2需要。此外，在高達(dá)6 GHz的應(yīng)用中，如有必要，可以使用混頻器對(duì)線性化的PA信號(hào)進(jìn)行上變頻。

構(gòu)建5G通信設(shè)備所需的條件

需要5G通信設(shè)備以更高的帶寬和效率運(yùn)行。所用功率放大器的線性和效率對(duì)于滿足這些要求至關(guān)重要。

這次，我們介紹了一些最常用的PA線性化技術(shù)已證明將DPD用作有源線性化技術(shù)可改善整體線性度和效率。

但是，DPD是一種復(fù)雜的方法，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的功耗增加以及解決方案的增加。總之，較小的即插即用RFPAL IC可以提供一種更簡(jiǎn)單的低功耗線性化技術(shù)。該IC可提高高達(dá)100MHz輸入信號(hào)帶寬的PA效率。該器件適合在各種應(yīng)用中用于各種架構(gòu)（A類/ AB類/ Doherty），工藝（GaAs，GaN，InGa）和頻率（698MHz至3.8GHz）的PA中。該設(shè)備是5G基礎(chǔ)設(shè)施等應(yīng)用的理想選擇。