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(guò)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(wèn)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(guò)RF放大器的切角或平頂正弦波,，如同驅(qū)動(dòng)過(guò)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(méi)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(wèn)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?，F(xiàn)在的問(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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),。