0 引言

    移動(dòng)通信技術(shù)的革新不僅深刻改變了人們的生活方式,，而且已成為推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提升社會(huì)信息化水平的重要引擎,。隨著4G的大規(guī)模商用，其發(fā)展已進(jìn)入成熟期,，面向2020年及未來(lái)的第五代移動(dòng)通信（5G）已成為全球研發(fā)熱點(diǎn),。5G無(wú)線通信將開(kāi)啟“萬(wàn)物互聯(lián)”時(shí)代并實(shí)現(xiàn)高可靠性、低時(shí)延,、低功耗及數(shù)據(jù)傳輸速率的跨越式提升,，能為用戶(hù)提供更多的應(yīng)用和服務(wù)體驗(yàn)。鑒于6 GHz以下頻段的各類(lèi)無(wú)線電業(yè)務(wù)已十分密集,，而毫米波頻譜不僅資源豐富,，且能提供更大的帶寬和更高的數(shù)據(jù)速率，非常契合5G通信的需求,；且由IMT-2020（5G）推進(jìn)組發(fā)布的5G無(wú)線技術(shù)試驗(yàn)進(jìn)展報(bào)告中也明確了毫米波在未來(lái)5G系統(tǒng)中的應(yīng)用^[1-3],。

    移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展依賴(lài)于集成電路工藝和器件的進(jìn)步。射頻功率放大器（RFPA）作為整個(gè)收發(fā)前端的核心功能模塊之一,，將直接影響到設(shè)備的通信質(zhì)量,、信號(hào)接收能力、電池續(xù)航等重要指標(biāo),。采用砷化鎵（GaAs）工藝的PA芯片是目前4G市場(chǎng)上的主流,，但其成本相對(duì)較高，且不便與數(shù)字部分集成,。著眼當(dāng)下多代半導(dǎo)體材料共同發(fā)展的格局,，對(duì)比Si基CMOS,、BiCMOS、Bipolar,、PHEMT和HBT等主流集成電路工藝,，結(jié)合5G射頻模組全集成化、微型化的發(fā)展趨勢(shì)和大規(guī)模量產(chǎn)的市場(chǎng)需求,，應(yīng)用最為廣泛的硅CMOS工藝憑借自身具有的低成本和高集成度優(yōu)勢(shì)而成為最佳選擇,。且其經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，工藝成熟穩(wěn)定,，具有完備的產(chǎn)能供應(yīng)鏈,，晶體管的特征尺寸及功耗越來(lái)越小，頻率上限在不斷提高,，因而可被應(yīng)用于毫米波前端電路設(shè)計(jì)并有望實(shí)現(xiàn)真正意義上的SoC（System-on-Chip）^[4-5],。

    CMOS電路基本功能的實(shí)現(xiàn)源于MOS晶體管的跨導(dǎo)作用：利用柵極電壓的場(chǎng)效應(yīng)控制導(dǎo)電溝道里的載流子濃度變化實(shí)現(xiàn)電壓到電流的轉(zhuǎn)換。但跨導(dǎo)會(huì)隨著交流信號(hào)頻率的不斷提升而退化,，從而導(dǎo)致了毫米波電路較低的放大能力,；且隨著CMOS工藝節(jié)點(diǎn)不斷向納米量級(jí)深入，越來(lái)越薄的柵氧化層使得晶體管的耐壓能力逐漸下滑,，從而限制PA的供電電壓并增加了提升輸出功率來(lái)克服毫米波信號(hào)衰耗大,、覆蓋距離短的難度；再者,，CMOS工藝下的各種損耗和寄生效應(yīng)及片上無(wú)源元件（電感,、變壓器和傳輸線）的低品質(zhì)因數(shù)對(duì)PA的效率和帶寬也造成了一定的影響，熱載流子效應(yīng)的存在還將會(huì)提高晶體管的閾值電壓^[6-7],；此外,，5G系統(tǒng)采用的多載波聚合技術(shù)將多個(gè)離散的頻譜資源整合在一起以支持更大的傳輸帶寬，但這會(huì)產(chǎn)生較高的峰均比（PAPR）,，迫使PA工作在功率回退區(qū)以滿(mǎn)足嚴(yán)格的線性要求來(lái)減少通信過(guò)程中的誤碼率和寄生干擾,，造成了效率低下的現(xiàn)象；最后,，為了進(jìn)一步提升頻譜效率,，提高5G系統(tǒng)容量而使用更高階的QAM調(diào)制技術(shù)，其解調(diào)過(guò)程復(fù)雜且要求具有高信噪比（SNR）,，進(jìn)而對(duì)PA的輸出功率提出了更嚴(yán)苛的要求,。因此，高性能的毫米波CMOS PA需要在獲得足夠增益和輸出功率的同時(shí)盡可能地提高線性度和功率附加效率（Power Added Efficiency,，PAE）并應(yīng)具有多模多頻能力以滿(mǎn)足5G通信的需求^[8],。

    針對(duì)CMOS工藝自身存在的物理缺陷，工程上可通過(guò)一系列技術(shù)予以緩解：由于CMOS的跨導(dǎo)較低，毫米波PA可以采用多級(jí)級(jí)聯(lián)的方式來(lái)克服單級(jí)電路在增益上的不足,；應(yīng)用Cascode（共源共柵）和Stack（堆疊）結(jié)構(gòu)減輕晶體管擊穿電壓（Breakdown Voltage）的壓力,，提高輸出電壓的擺幅和末級(jí)放大器的隔離度^[9-10]；并通過(guò)將多個(gè)晶體管組合成一個(gè)單元（Cell）的方式來(lái)優(yōu)化版圖布局以削減寄生電容的影響及所占用的面積^[11],；差分結(jié)構(gòu)的引入除能抑制共模信號(hào)外還可有效降低對(duì)輸出晶體管最大電流的要求,，從而減小輸出端寄生電阻對(duì)電流的消耗以提高PAE，且該結(jié)構(gòu)還能降低襯底耦合作用對(duì)其他電路的干擾,；進(jìn)一步地可運(yùn)用巴倫（Balun）型變壓器將兩路差分信號(hào)合成,，這樣就實(shí)現(xiàn)了在低輸出電壓擺幅下使電流密度加倍，從而顯著提高輸出功率^[12],。但上述改進(jìn)所帶來(lái)的性能提升有限,，還需要融合更為有效的電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以全面改善RFPA系統(tǒng)。

1 PA效率增強(qiáng)技術(shù)

    為實(shí)現(xiàn)5G時(shí)代的高速信號(hào)傳輸,，通信調(diào)制方式將愈發(fā)高效,，信號(hào)的峰均比也相應(yīng)提高，致使PA的效率發(fā)生顯著的下滑,；而且手持移動(dòng)終端往往需要多個(gè)獨(dú)立的PA以滿(mǎn)足其在全頻段內(nèi)的正常工作,。因此作為射頻發(fā)射機(jī)中耗能最多的核心組件，PA效率的高低影響著設(shè)備的續(xù)航時(shí)間及用戶(hù)體驗(yàn),，解決的方法主要有兩類(lèi)：

    (1)運(yùn)用有源負(fù)載調(diào)制的Doherty和Outphasing技術(shù)等,。在該類(lèi)模式下，PA的負(fù)載阻抗可以隨著輸出功率大小動(dòng)態(tài)變化,，從而確保了PA在回退區(qū)也能達(dá)到高效率,；

    (2)運(yùn)用動(dòng)態(tài)電源調(diào)制的EER(Envelope Elimination and Restoration)和ET(Envelope Tracking)技術(shù)等。該類(lèi)的核心思想是根據(jù)輸入射頻信號(hào)的包絡(luò)幅值來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整PA漏端的供電電壓,，使得PA始終工作在飽和高效率狀態(tài)，如圖1所示^[13],。

    Doherty架構(gòu)由于沒(méi)有非線性的信號(hào)處理過(guò)程,，信號(hào)帶寬將維持不變，如圖2所示,。其最大的特點(diǎn)是利用效率曲線的6 dB回退來(lái)提高效率,，但面對(duì)高PAPR信號(hào)時(shí)，需要結(jié)合預(yù)失真,、前饋等線性化技術(shù)才有比較好的效果,；此外復(fù)雜的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)和1/4波長(zhǎng)傳輸線的應(yīng)用不僅增加了損耗還占據(jù)較大的芯片面積，因而對(duì)Doherty技術(shù)的應(yīng)用造成了一定的限制^[14],。

    Outphasing技術(shù)將輸入分離得到的兩路恒包絡(luò)相位調(diào)制信號(hào)分別通過(guò)工作在飽和區(qū)的高效率分支PA,，最后在輸出端合成為線性放大的信號(hào)，如圖3所示^[15],。由于實(shí)際物理器件的非理想特性及其嚴(yán)格要求兩路PA的匹配度,，導(dǎo)致Outphasing系統(tǒng)的適應(yīng)性差而很少應(yīng)用于工程設(shè)計(jì),。

    EER結(jié)構(gòu)如圖4所示，由包絡(luò)檢波器分離輸入信號(hào)而得到的幅度信息經(jīng)過(guò)電源調(diào)制器后通過(guò)控制PA的漏極電壓進(jìn)行幅相合成,；恒包絡(luò)相位信號(hào)則可以采用高效率的開(kāi)關(guān)模式PA進(jìn)行放大,，這使得整體效率得以提升。但當(dāng)處理高PAPR信號(hào)時(shí),，EER系統(tǒng)中的限幅器難以再為開(kāi)關(guān)PA提供有效的恒包絡(luò)信號(hào)而影響整體的線性度,，且幅相分離會(huì)導(dǎo)致劇烈的帶寬擴(kuò)展；EER對(duì)于幅度和相位路徑的時(shí)延一致性要求十分苛刻,，這給設(shè)計(jì)帶來(lái)嚴(yán)重的阻礙^[15],。

    而ET技術(shù)則直接將輸入信號(hào)送進(jìn)線性PA，電源調(diào)制器只影響PA的效率和輸出信號(hào)的線性度,，結(jié)構(gòu)如圖5所示,。因此，ET技術(shù)對(duì)于幅度,、射頻支路的時(shí)間對(duì)齊要求和PA的帶寬需求都將大幅降低,；相比有源負(fù)載調(diào)制類(lèi)技術(shù)，ET架構(gòu)對(duì)效率提高的過(guò)程與PA的射頻端口匹配無(wú)關(guān),，且其在功率回退范圍內(nèi)的效率提升突出,，功率損耗小，并憑借高度的靈活性而適用于多模多頻的通信方式^[16],。

    表1歸納總結(jié)了上述四種主流PA回退效率提升技術(shù)的性能對(duì)比情況,。綜合來(lái)看，ET技術(shù)在5G移動(dòng)終端的應(yīng)用前景更為樂(lè)觀,，因此本節(jié)重點(diǎn)對(duì)其的研究狀況展開(kāi)論述,。

    ET PA系統(tǒng)的整體效率及線性度在很大程度上依賴(lài)于電源調(diào)制器（包絡(luò)放大器）的性能,，因而其是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和研究熱點(diǎn),。包絡(luò)信號(hào)的帶寬一般為調(diào)制信號(hào)的3～4倍，具有更寬帶寬的高PAPR包絡(luò)信號(hào)將會(huì)顯著降低包絡(luò)放大器的效率,，如果沒(méi)有被正確放大,，還可能會(huì)在RF輸出中引入額外的失真^[17]。目前有兩種解決途徑：一是設(shè)計(jì)出高效寬帶的包絡(luò)放大器,；另一種是通過(guò)基帶信號(hào)處理的方法,，在不影響整體效率的前提下，降低包絡(luò)信號(hào)的帶寬,，如壓擺率限制（Slew-Rate Limited）法,，其通過(guò)調(diào)節(jié)因子N得到不同的輸出包絡(luò)，在時(shí)域上能很好地跟蹤信號(hào)，但高頻部分沒(méi)有得到較好的抑制,，該算法復(fù)雜度適中且易于實(shí)現(xiàn)^[18],。

    傳統(tǒng)的包絡(luò)放大器結(jié)構(gòu)多以開(kāi)關(guān)電源拓?fù)錇榛A(chǔ)，常用Buck型開(kāi)關(guān)DC/DC變換器實(shí)現(xiàn),，信號(hào)包絡(luò)經(jīng)過(guò)Δ-Σ或PWM調(diào)制后由輸出晶體管放大,，再通過(guò)濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行還原；但Buck變換器的帶寬嚴(yán)重受限,，其效率隨著開(kāi)關(guān)頻率上升而顯著下降^[19],。目前主流結(jié)構(gòu)是采用由寬帶線性放大器和高效開(kāi)關(guān)變換器并聯(lián)構(gòu)成的混合型電源調(diào)制模塊，其能在不增加開(kāi)關(guān)頻率的情況下進(jìn)行更精確的跟蹤,，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,、易于集成，可實(shí)現(xiàn)效率和帶寬的良好折中,，融入Buck變換器后還能實(shí)現(xiàn)包絡(luò)信號(hào)的自適應(yīng)壓擺率控制^[20],；但因?yàn)橄鄬?duì)低效的線性PA提供了大部分的電流，故對(duì)于LTE等寬帶信號(hào)的處理,，這類(lèi)方案所能達(dá)到的效率基本限制在70%以?xún)?nèi),。對(duì)此，可以加入反饋環(huán)路予以改善,，典型的電流檢測(cè)技術(shù)是在線性PA的輸出端串聯(lián)一個(gè)小的電阻,，并測(cè)量其上的電壓降，該法雖然準(zhǔn)確,，但因其會(huì)帶來(lái)較大的損耗而不適合高電流應(yīng)用,；另一種是檢測(cè)輸出級(jí)的輸入端電壓并將其直接轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)變換器的控制信號(hào)^[21]。然而,，電流檢測(cè)控制環(huán)路所引入的額外延遲將不可避免導(dǎo)致效率的降低,，且PA負(fù)載的非線性特性會(huì)使得極零點(diǎn)相消失效并由此可能引發(fā)不穩(wěn)定現(xiàn)象。ET PA的一個(gè)關(guān)鍵是在最大平均功率下提高效率,，但在回退區(qū)時(shí),，由于電源電壓較大將致使線性PA的效率迅速走低。文獻(xiàn)[16]給出的方案是根據(jù)包絡(luò)信號(hào)的平均功率來(lái)調(diào)整線性級(jí)的供電大小,，再設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立于電源的推挽AB類(lèi)輸出級(jí)以避免交越失真，使用多級(jí)供電的方式去逼近包絡(luò)信號(hào)曲線,，如圖6所示,，并根據(jù)功率回退的大小調(diào)整線性放大器和開(kāi)關(guān)變換器的電流比，從而使系統(tǒng)在低功率區(qū)域的效率得到改善并同時(shí)減少了開(kāi)關(guān)損耗,，提高了包絡(luò)放大器的帶寬,。

    為能更好地實(shí)現(xiàn)寬帶寬、低紋波和高效率的理想組合，文獻(xiàn)[22]提出了一種基于原混合型包絡(luò)放大器改進(jìn)的雙開(kāi)關(guān)構(gòu)思,，其通過(guò)一定的邏輯控制,，使額外并聯(lián)的開(kāi)關(guān)變換器能夠補(bǔ)償原開(kāi)關(guān)級(jí)不能提供的高頻電流，并且第二級(jí)開(kāi)關(guān)用V_DD/2供電,，使得紋波電流減半從而大大減少了線性級(jí)的工作量,，最終在20 MHz信號(hào)測(cè)試中得到83%的平均效率。

    為保證系統(tǒng)的高效工作,，需要在低頻包絡(luò)和RF信號(hào)路徑間進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊,，否則會(huì)產(chǎn)生帶外失真，致使PA無(wú)法滿(mǎn)足輸出頻譜掩模板（Spectral Mask）的要求,，因此可采用反饋接收器來(lái)校正延遲失配^[13],；此外，包絡(luò)信號(hào)需要進(jìn)行整形處理后才能作為漏極偏壓對(duì)PA供電,，其還應(yīng)跟隨IMD3的最佳點(diǎn)來(lái)減少非線性失真,，包絡(luò)的最小值應(yīng)略大于Knee電壓。而對(duì)于CMOS工藝,，PA設(shè)計(jì)中廣泛采用的Cascode結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致Knee電壓的增加,，從而引起共源管在固定的柵極偏置及低電源電壓供給的情況下，進(jìn)入線性工作區(qū),，由此會(huì)產(chǎn)生較大的增益偏差,，降低系統(tǒng)的線性度、輸出動(dòng)態(tài)范圍和功率附加效率^[23],。此時(shí)包絡(luò)放大器可應(yīng)用直流偏移（DC Shifting）和包絡(luò)衰減（Envelope Scaling）相結(jié)合的方法對(duì)所增加的Knee電壓提供額外的補(bǔ)償并能避免峰值削波^[24],，接著可引入文獻(xiàn)[25]介紹的動(dòng)態(tài)反饋控制和自適應(yīng)柵極偏置技術(shù)來(lái)減小AM-AM失真。采用Cascode結(jié)構(gòu)還需要仔細(xì)考慮共源與共柵晶體管的尺寸比例,，因其在一定程度上影響著PA整體的效率,。

    關(guān)于ET PA的優(yōu)化已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作，包括器件尺寸,、開(kāi)關(guān)級(jí)的異步切換和包絡(luò)成型函數(shù)等,，效率的提升有助于降低系統(tǒng)成本且能提高可靠性?？紤]到ET及Doherty技術(shù)分別從直流供電和功放結(jié)構(gòu)上改善效率,，故另一種可行性方案是將兩者結(jié)合，優(yōu)勢(shì)疊加,，使ET Doherty PA在保證線性度的基礎(chǔ)上能在更大的功率回退范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率這一目標(biāo)^[26],。

2 PA線性度增強(qiáng)技術(shù)

    RFPA的最優(yōu)效率通常在飽和工作區(qū)附近取得，但同時(shí)也帶來(lái)了強(qiáng)非線性效應(yīng)而導(dǎo)致新的頻率分量產(chǎn)生,，特別是對(duì)于高峰均比的信號(hào),，僅僅采用功率回退難以在效率和線性度之間取得平衡,，因而現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)強(qiáng)烈依賴(lài)于PA的線性化技術(shù)。衡量其改善效果的指標(biāo)主要有1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率,、雙音（Two-tone）或多音信號(hào)輸入時(shí)所產(chǎn)生的諧波和互調(diào)失真,、鄰信道功率比（ACPR）以及誤差矢量幅度（EVM）。PA器件的非線性主要是由工作電路中的電容和電感引起的,，用AM-AM和AM-PM特性曲線表征,；通常，帶內(nèi)失真會(huì)惡化信號(hào)的EVM,，帶外失真會(huì)引起頻譜擴(kuò)展和能量泄漏,。在寬帶通信系統(tǒng)中，PA會(huì)存在記憶效應(yīng),，即電路中各節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)電壓和電流值不僅取決于當(dāng)前輸入,，還與歷史值有關(guān)。

    最早提出的負(fù)反饋技術(shù)是通過(guò)環(huán)路增益因子來(lái)抑制PA的非線性失真,，對(duì)互調(diào)分量的抑制具有較好的效果且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，如圖7所示^[7]。其依據(jù)信號(hào)處理的方式不同可分為：包絡(luò),、極坐標(biāo)和笛卡爾負(fù)反饋(Cartesian Feedback)等,。其中，笛卡爾負(fù)反饋技術(shù)具有很強(qiáng)的抗老化效應(yīng),，對(duì)PVT變化不敏感,，且沒(méi)有嚴(yán)格的匹配要求，但由于受到PA穩(wěn)定性和反饋網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制,，其還需結(jié)合自動(dòng)LO(Local Oscillator)相位校準(zhǔn)等方法進(jìn)行改善^[27],。

    前饋(Feed-forward)技術(shù)的線性化效果更好，其建立在反饋的基礎(chǔ)上,，是一種開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu),，采用在PA輸出端饋入誤差修正信號(hào)來(lái)抵消PA的非線性失真，如圖8所示,。該技術(shù)在工作頻帶內(nèi)不損失器件的增益帶寬且具有無(wú)條件穩(wěn)定性,，缺點(diǎn)是硬件成本高，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,，并要求各耦合支路通過(guò)延時(shí)補(bǔ)償后嚴(yán)格對(duì)齊,。此外，PA外部的工作環(huán)境變化會(huì)導(dǎo)致消除回路的幅相特性產(chǎn)生失真,，造成線性度的降低^[28]?，F(xiàn)有的研究文獻(xiàn)提出了許多不同的自適應(yīng)優(yōu)化方案，如基于DSP的前饋PA控制算法,，其將信號(hào)消除和失真消除電路部分在基帶數(shù)字域?qū)崿F(xiàn),，并基于最小二乘模型對(duì)回路的電路系數(shù)進(jìn)行估計(jì)^[29]，但受限于A/D,、D/A的采樣速率,，信號(hào)處理帶寬和精度不夠高且數(shù)字控制法需要根據(jù)輸入信號(hào)特征進(jìn)行參數(shù)化學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。前饋技術(shù)通常用于對(duì)線性度要求較高的場(chǎng)景,，如衛(wèi)星通信系統(tǒng)等,。

    在無(wú)線通信系統(tǒng)中應(yīng)用相對(duì)廣泛的是預(yù)失真（Pre-distortion）技術(shù)，其通過(guò)在PA前端級(jí)聯(lián)與PA非線性特性相反的電路模塊,，使兩者的非線性相互抵消,，即能得到一個(gè)與輸入信號(hào)功率無(wú)關(guān)的常數(shù)增益和恒定相移，如圖9所示^[30],。

    其按照實(shí)現(xiàn)方式的區(qū)別可分為數(shù)字預(yù)失真和模擬預(yù)失真,，前者可以通過(guò)增加采樣率和增大量化階數(shù)的辦法來(lái)抵消高階互調(diào)量，適應(yīng)性較強(qiáng),，常用的無(wú)記憶查表法需要預(yù)先建立存有校正數(shù)據(jù)的查找表(Look Up Table),，但由于其不能包含與PA傳輸函數(shù)相關(guān)的溫度、電源電壓,、偏置和工藝條件等影響因素而降低預(yù)失真補(bǔ)償所能達(dá)到的性能,。雖然表中系數(shù)的更新信息可通過(guò)自適應(yīng)反饋提供，但這要構(gòu)建復(fù)雜的系統(tǒng)模型,。數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的主流發(fā)展方向在于如何對(duì)實(shí)際PA的行為特性進(jìn)行準(zhǔn)確建模,，并通過(guò)高效的混疊算法產(chǎn)生相應(yīng)預(yù)失真信號(hào)^[31]；而后者是利用射頻器件固有的非線性對(duì)PA的失真做出補(bǔ)償,，主要采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET),、肖特基二極管和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)的基極-發(fā)射極二極管^[32]。文獻(xiàn)[33]在對(duì)稱(chēng)Doherty PA中內(nèi)置一種簡(jiǎn)單的模擬預(yù)失真線性化電路,，其充當(dāng)自適應(yīng)損耗元件并有效校正了功率回退時(shí)的AM-AM響應(yīng),，將P1dB從23 dBm擴(kuò)展到25.1 dBm而PAE并沒(méi)有太大損失。相比前者,，模擬預(yù)失真技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,、成本和能耗更低、頻帶寬且可以工作到毫米波頻段,，更適合高頻高帶寬的應(yīng)用場(chǎng)景,。

    綜上，各種線性化方法大體可以歸成開(kāi)環(huán)或閉環(huán)兩大類(lèi),。反饋技術(shù)通過(guò)使PA的增益降低來(lái)壓低非線性失真信號(hào)的增益,，但前提是PA本身具有足夠高的增益才能獲得較好的線性化程度。而前饋技術(shù)不僅可以得到與閉環(huán)系統(tǒng)相當(dāng)?shù)木€性化能力,，而且還具有開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和寬帶,；不過(guò),，前饋系統(tǒng)的校正環(huán)中需要輔助PA，所以總的效率比較低,。預(yù)失真技術(shù)雖然沒(méi)有閉環(huán)系統(tǒng)的校正精度,，但它能夠處理多載波信號(hào)，調(diào)制帶寬非常寬,，也不存在制約閉環(huán)系統(tǒng)固有的穩(wěn)定性問(wèn)題,；并且其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本較低,，適用于寬頻帶,、大容量的通信系統(tǒng)[12]。幾種常用的PA線性化技術(shù)的性能對(duì)比如表2所示,。

3 結(jié)論

    相比價(jià)格昂貴且成品率低的Ⅲ-Ⅳ族化合物半導(dǎo)體工藝,，硅基CMOS工藝經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，已在性能上取得了長(zhǎng)足進(jìn)步并憑借高集成度及低成本的優(yōu)勢(shì),，再結(jié)合架構(gòu)改進(jìn)等優(yōu)化方案,，使其在毫米波頻段的商用具有足夠的吸引力；而PA作為射頻收發(fā)機(jī)中的關(guān)鍵模塊,，其性能的好壞直接影響著整個(gè)通信系統(tǒng),，因此研究毫米波CMOS射頻功率放大器對(duì)于推動(dòng)5G通信技術(shù)的普及具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。

    為應(yīng)對(duì)高PAPR問(wèn)題,，需要對(duì)PA進(jìn)行線性化處理,，改善PA的非線性特性，減小信號(hào)的畸變并保證其在功率回退區(qū)時(shí)仍具有高效率,。

    包絡(luò)跟蹤（ET）技術(shù)有著高度的靈活性且適用于多種通信標(biāo)準(zhǔn),，是PA回退效率提升的一方良策，其根據(jù)輸入信號(hào)的包絡(luò)動(dòng)態(tài)調(diào)整PA的漏極偏置電壓,，這樣即能在很寬的功率范圍內(nèi)保持高效率工作,，但在設(shè)計(jì)時(shí)還需綜合考慮延時(shí)不匹配和帶寬受限等問(wèn)題。

    高PAPR會(huì)使PA快速進(jìn)入飽和區(qū)而呈現(xiàn)出增益壓縮,，由此會(huì)產(chǎn)生AM-AM和AM-PM失真,。PA線性化技術(shù)的引入有助于減少通信系統(tǒng)的誤碼率和寄生干擾，相比負(fù)反饋和前饋技術(shù),，預(yù)失真方案具有尺寸小,、復(fù)雜度和成本更低的優(yōu)點(diǎn)，能很好地于單片集成電路中實(shí)現(xiàn),，其中的模擬預(yù)失真技術(shù)還具有使用頻率高的特點(diǎn),，可被應(yīng)用于毫米波領(lǐng)域。

    鑒于現(xiàn)代通信信號(hào)調(diào)制方式愈發(fā)復(fù)雜高效的發(fā)展趨勢(shì),，單一的功放技術(shù)已變得難以滿(mǎn)足需求,，將包絡(luò)跟蹤與線性化補(bǔ)償技術(shù)結(jié)合起來(lái),，才能在未來(lái)5G通信上有更廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1] IMT-20205G)推進(jìn)組.5G概念白皮書(shū)[R].IMT-2020,，2015.

[2] JEFFREY G A,，STEFANO B，WAN C,，et al.What will 5G be?[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2014,，32(6)：1065-1082.

[3] IMT-2020(5G)推進(jìn)組.5G無(wú)線技術(shù)試驗(yàn)進(jìn)展及后續(xù)計(jì)劃[R].IMT-2020,，2016.

[4] 周鈾.射頻毫米波集成電路中功率放大技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2018.

[5] SANGSU J,，KYUNGHON M,，BYUNGJOON P，et al.CMOS saturated power amplifier with dynamic auxiliary circuits for optimized envelope tracking[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,，2014,，62(12)：3425-3435.

[6] SULTAN R H，JING-HWA C,，SAEED M.A stacked Cascode CMOS SOI power amplifier for mm-wave applications[C].IEEE MTT-S International Microwave Symposium,，2014.

[7] HAMHEE J，KUN-SEOK L,，OCKGOO L,，et al.A cascode feedback bias technique for linear CMOS power amplifiers in a multistage cascode topology[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2013,，61(2)：890-901.

[8] FLORINEL B.CMOS high bandwidth envelope tracking and power amplifiers for LTE carrier aggregation[C].IEEE Topical Conference on Power Amplifiers for Wireless and Radio Applications,，2015.

[9] NAREK R，JEFY A J,，PETER A.15 GHz 25 dBm multi-gate-cell stacked CMOS power amplifier with 32 % PAE and≥30 dB gain for 5G applications[C].2016 11th European Microwave Integrated Circuits Conference,，2016.

[10] PENGWEI C，JIN H,，JIANG L,，et al.Fully integrated pseudo differential K-band power amplifier in 0.13 μm standard CMOS[C].International Symposium on Integrated Circuits,2016.

[11] SULTAN R H，SAEED M.A highly efficient mm-wave CMOS SOI power amplifier[C].IEEE MTT-S International Microwave Symposium,，2016.

[12] 池保勇,，余志平，石秉學(xué).CMOS射頻集成電路分析與設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社,，2006.

[13] MUHAMMAD H,，LAWRENCE E L，VINCENT W L,，et al.A combined series-parallel hybrid envelope amplifier for envelope tracking mobile terminal RF power amplifier applications[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,，2012,，47(5)：1185-1198.

[14] 林俊明，鄭耀華,，張志浩,，等.CMOS射頻功率放大器高效率和高線性度研究進(jìn)展[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015,，41(11)：17-23.

[15] 黃超意.寬帶線性高效率功率放大器研究[D].成都：電子科技大學(xué),，2018.

[16] JOOSEUNG K，DONGSU K,，YUNSUNG C,，et al.Highly efficient RF transmitter over broad average power range using multilevel envelope-tracking power amplifier[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I：Regular Papers，2015,，62(6)：1648-1657.

[17] JINSEONG J,，DONALD F K，MYOUNGBO K,，et al.Wide-band envelope tracking power amplifiers with reduced bandwidth power supply waveforms and adaptive digital predistortion techniques[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,，2009，57(12)：3307-3314.

[18] GABRIEL M,，PERE L G,，JORDI B，et al.Digital predistortion of envelope tracking amplifiers driven by slew-rate limited envelopes[C].IEEE MTT-S International Microwave Symposium,，2011.

文獻(xiàn)[19]-[33]略

作者信息:

彭  林,，章國(guó)豪

（廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州510006）