射頻與微波功率放大器發展的歷程、現狀與趨勢

吳淘鎖++鄔海峰

摘 要：隨著無線通信技術的快速演進，無線通信系統的性能指標變得尤為重要。功率放大器作為無線通信系統中影響發射機輸出功率、效率、線性度等指標的重要器件，其研究和設計的重點也相應發生著變化。了解并掌握PA的相關演進過程與趨勢，對于PA的設計和研發有著重要的意義。因此，文章通過基于20年間文獻的調研成果，介紹了PA的演進歷程、研究現狀、發展趨勢及其中一些亟待解決的問題。

關鍵詞：發展現狀；未來趨勢；PA；射頻與微波

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）11-00-02

0 引 言

功率放大器（PA）是射頻與微波系統中發射機末端的關鍵元件，其作用是將輸入信號在需要的頻帶上進行放大，并使其功率達到系統所要求的等級水平，故PA的性能直接影響到整個通信系統信號的傳輸距離和傳輸質量。分析PA的演進歷程、研究現狀與國內外發展趨勢，有利于分析不同類型PA產生的原因及特點，有利于PA設計在無線通信技術發展中所面臨的輸出功率、效率、線性度等一些問題的解決，對設計良好的PA有一定的研究意義。

1 功率放大器的演進

功率放大器（PA）的發展歷程如圖1所示，其中列舉了無線通信系統發展中的一些代表性事件。從圖1中可以看出，PA主要經歷了發展初期、平穩過渡階段蓬勃發展階段這三個發展階段。

1.1 發展初期

如圖1所示，1833年，Faraday最先發現硫化銀的電阻不同于一般的金屬，其電阻隨溫度升高而降低，這被認為是半導體現象的首次發現；1904年，電子二極管問世；1906年，真空三極管的問世推動了無線電廣播系統的發展；1920年，隨著半導體的進一步發展，人們開始研究PA，設計出傳統的模擬功率放大器有A類、B類、AB類及C類；為了解決AB類功率回退、效率降低的問題，1936年，Doherty提出了可以提高射頻PA效率的一種解決方案[1]，即為DPA；為了進一步實現PA的高效率指標，1958年，Tyler第一次提出了高效F類PA的一般性闡述[2]；1975年，Sokal在文獻中提出了E類PA的基本模型[3]，因其高頻性能出色、結構簡單而廣泛應用于無線通信、開關電源等領域中。

1.2 平穩過渡階段

1980年，數字預失真（Digital Pre-Distortion，DPD）被首次提出，進而破解了PA線性化技術中的難題，隨之DPA受到研究重視；1990年，由于對線性度和效率折衷的迫切需要，AB、B類PA 又得到了大力的研究與快速的發展；如圖1所示，2000年，Grebennikov重新分析了F類PA[4]，并設計出了三次諧波峰化的負載網絡，解決了F類PA效率較低的問題，繼而逆F類PA問世。由于這一段時期為模擬移動通信向著數字移動通信跨越的交叉時期，無線通信技術正處于轉型階段，故導致PA的研究隨著無線通信的平穩發展而緩慢推進。

圖1 PA的發展歷程

1.3 蓬勃發展階段

2003年，為了提高PA的效率與線性度，DPD首次結合AB類PA的應用如圖1所示，2005年為降低E類PA晶體管的峰值電壓，進而減小其被擊穿的風險，提高整體電路的可靠性，逆E類PA問世；隨著無線通信系統的進一步需求與快速發展，2006年，為解決PA效率低、帶寬窄的問題，簡化其拓撲結構，J類PA被提出，并于2009年由Cripps團隊首次實現了J類功率放大器的實體化設計[5]；2010年，高效、寬帶連續F類PA問世，與此同時，為解決傳統AB類PA必須工作在效率較低的功率回退區的問題，包絡跟蹤（ET）PA問世。

隨著無線通信新標準、新技術的不斷發展，要求提高射頻與微波PA的各種性能，進一步降低成本、減小尺寸與重量。同時擁有良好的線性度、高輸出功率及效率。基于PA的發展歷程與演進原因，所有這些問題對其設計提出了新的要求，并決定了PA的下一步發展趨勢。

2 PA的研究現狀及發展趨勢

2.1 PA的研究現狀

按照PA文獻的發表時間、數量進行分析，從圖2可以得出，1995～2004年為慢速上升期，2005～2011年上升速度較快，2012～2014年，則有所下降并出現波動。通過對Journals& Magazines 雜志的論文發表量進行分析，可以看出PA文獻的發表數目是逐年上升的。由此可以說明，PA在近20年里的研究在持續升溫，并成為熱門的研究課題。

圖2 近20年PA文獻發表數目

由表1可知，通過對PA相關會議的地點分布進行分析，美洲排名第一，亞太地區和歐洲次之，發現可提供學術交流平臺的地區多為發達國家，如美國、英國、日本等國家，顯而易見的是美國占78%，說明其占有絕對的研究優勢，而中國僅占3%，說明中國在PA研究領域仍然處于發展初期。

2.2 PA研究的發展趨勢

近幾十年來影響射頻與微波功率放大器發展的因素主要為器件、工藝與技術，如表2所示，文獻的索引率及引用率反映了近四年PA研究的熱點課題。通過表2的分析結果，結合文獻分析與PA有關的熱點研究，可以分為E類PA、DPD、GaN、Doherty、晶體管模型等，具體相關的熱點研究方向為以下幾個方面：

（1）由于高效率PA的研究是未來發展方向，故針對E類PA的研究仍將是重點；

（2）DPD技術作為提高PA線性度的熱點研究方法，其寬帶特性也是重點研究對象，未來PA線性度研究仍是重點；

（3）GaN PA雖然出現較晚，但是近些年擁有較高的關注度，表明了其強勁的研究態勢，是未來大功率PA的主力；

（4）PA設計的基礎為晶體管的建模，因其非線性效應的建模是提升PA線性度等指標的重要保障，因此也將是研究熱點之一；

（5）Doherty PA是電路架構研究方式中的熱點問題，因為它可以實現效率和線性度的良好折中，同時針對峰均比信號具有良好的平均效率。

表1 PA文獻發表會議統計表國別 百分比 國別 百分比

美國 78% 澳大利亞 3%

加拿大 4% 法國 2%

日本 3% 瑞士 2%

英國 3% 韓國 1%

中國 3% 新加坡 1%

3 結 語

綜上所述，PA的研究仍是一個持續升溫、熱門的課題，設計具有高集成度、低成本、高效率的集成PA，以及研究具有高效率、高線性度等指標的GaN分立PA，將是未來射頻與微波功率放大器的發展趨勢，同時通過提高現有PA的效率、線性度及晶體管模型精度，通過新型器件和新穎的設計技術，將有利于促進無線通信系統的進一步發展。

參考文獻

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