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GaN组件和AMO技术实现更高效率与宽带
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2017-11-17
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随着无线通信的带宽、用户数目以及地理覆盖范围扩展，基地台收发器的功率放大器（PA） 部份对于更高效率的需求也不断成长。无线功率放大器所消耗的功率超过了基地台运作所需功率的一半。透过提高效率来减少功耗具有多项优势，首先，最明显的好 处是降低运营成本；同时，更少的热意味着更低的设备冷却需求以及更高的可靠性。如果能够减少对于温度升高问题的关注度，那么无线业者在因应4G和下一代技 术带来无线资料用量大幅增加而定位建设新基地台时，会有更大的弹性。
更高的效率需要4G无线讯号拥有更宽的频带和高线性度。为了解决这个问题，最近新创企业Eta Devices正为一项在麻省理工学院（MIT）开发的技术进行商业化开发——‘非对称多级移相’（asymmetric multilevel outphasing；AMO）技术。AMO技术结合了移相技术的高线性度以及高效率、多层级、独立开关的漏极偏置电压。独立开关漏极偏置电压是支持宽带宽、同时保持高效率的关键所在，也是这项技术超越传统封包追踪技术的最大优势。图1显示AMO技术如何实现效率提升，超越单独的移相技术。
图1：具有四种不同振幅级的AMO调变技术效率理论值，以及双级AMO和单级移相（或称LINC——具非线性成份的线性放大）。
在任何移相系统中，最大化的效率可经由单一功率放大器的性能而取得。在高功率放大器设计中，Eta Devices公司使用实际峰值漏极效率超过80%的GaN HEMT组件，因为它具有相比现有硅晶组件更好的性能——硅晶组件在相同条件下的峰值漏极效率仅勉强超过70%。
配合高性能 RF放大器，电源开关系统必须针对具有最小瞬变的低损耗开关而优化，系统的时序是非常重要的，它需要管理每个讯号和控制路径中的延迟。一旦正确地进行同 步，Eta Devices的专有数字预失真（DPD）技术就成为实现4G系统相邻信道功率比（ACPR）规范的关键。这种架构已经建置于多种功率级和应用中，包括用 于手机和WLAN传送器的1W PA到用于基地台的100W PA，并使用多种半导体材料如GaN、GaA和硅晶材料。
AMO与ET技术比较
目前有两种透过非线性功率放大器实现线性放大功能的常用方法——移相（outphasing）和封包追踪（ET）。移相法使用两种作业于？定振幅的相位调变 放大器，其输入讯号可转换为合适的相位并送至放大器，而其输出讯号则经由组合使讯号中相位成份的增强与删除能够准确复制输入讯号。实际上，移相法需要功率 组合器为每个PA提供一致的负载，在放大器之间实现隔离，并提供高功率处理能力。这些特性可能难以实现，特别是在宽带带上。移相法的另一个限制是具有高峰 值平均功率比（peak-to-average power ratio；低平均功率输出）的讯号导致效率降低，因为电阻负载耗用许多放大器功率。
ET 法则将RF讯号分成单独的相位角和振幅成分。PA在饱和模式下作业，通常是开关模式之一，例如Class E。相位调变应用于RF驱动，而为PA供电的DC电源则经由振幅封包进行调变，因而使相位和振幅同时在输出端还原。尽管ET非常普及，但仍然受到4G和 WLAN标准带宽持续增加需求的挑战。对于ET来说，问题的关键在于电源调变器，必须在许多不同的性能方面有所提升。它必须能处理大量功率且极具高效率、 高线性度、高分辨率，以及几乎不为系统带来任何噪声，而且支持宽带调变。现代的无线标准必须不断地增加带宽而不折衷任何性能，使得只采用ET技术的方案前 景受到质疑。
AMO由于结合了移相和ET技术中提升性能时最需要的特性，因而能够用于解决移相和封包追踪案的设计挑战。图2 显示AMO的方块图，其中图2a是基本功能，图2b则描述典型的建置方案。它首先从讯号处理开始，即为具有多级电源调变器的PA提供相位调变讯号。其输出 结合高线性度的放大讯号，从而维持非线性PA的高效率。
更高的效率需要4G无线讯号拥有更宽的频带和高线性度。为了解决这个问题，最近新创企业Eta Devices正为一项在麻省理工学院（MIT）开发的技术进行商业化开发——‘非对称多级移相’（asymmetric multilevel outphasing；AMO）技术。AMO技术结合了移相技术的高线性度以及高效率、多层级、独立开关的漏极偏置电压。独立开关漏极偏置电压是支持宽带宽、同时保持高效率的关键所在，也是这项技术超越传统封包追踪技术的最大优势。图1显示AMO技术如何实现效率提升，超越单独的移相技术。
图1：具有四种不同振幅级的AMO调变技术效率理论值，以及双级AMO和单级移相（或称LINC——具非线性成份的线性放大）。
在任何移相系统中，最大化的效率可经由单一功率放大器的性能而取得。在高功率放大器设计中，Eta Devices公司使用实际峰值漏极效率超过80%的GaN HEMT组件，因为它具有相比现有硅晶组件更好的性能——硅晶组件在相同条件下的峰值漏极效率仅勉强超过70%。
配合高性能 RF放大器，电源开关系统必须针对具有最小瞬变的低损耗开关而优化，系统的时序是非常重要的，它需要管理每个讯号和控制路径中的延迟。一旦正确地进行同 步，Eta Devices的专有数字预失真（DPD）技术就成为实现4G系统相邻信道功率比（ACPR）规范的关键。这种架构已经建置于多种功率级和应用中，包括用 于手机和WLAN传送器的1W PA到用于基地台的100W PA，并使用多种半导体材料如GaN、GaA和硅晶材料。
AMO与ET技术比较
目前有两种透过非线性功率放大器实现线性放大功能的常用方法——移相（outphasing）和封包追踪（ET）。移相法使用两种作业于？定振幅的相位调变 放大器，其输入讯号可转换为合适的相位并送至放大器，而其输出讯号则经由组合使讯号中相位成份的增强与删除能够准确复制输入讯号。实际上，移相法需要功率 组合器为每个PA提供一致的负载，在放大器之间实现隔离，并提供高功率处理能力。这些特性可能难以实现，特别是在宽带带上。移相法的另一个限制是具有高峰 值平均功率比（peak-to-average power ratio；低平均功率输出）的讯号导致效率降低，因为电阻负载耗用许多放大器功率。
ET 法则将RF讯号分成单独的相位角和振幅成分。PA在饱和模式下作业，通常是开关模式之一，例如Class E。相位调变应用于RF驱动，而为PA供电的DC电源则经由振幅封包进行调变，因而使相位和振幅同时在输出端还原。尽管ET非常普及，但仍然受到4G和 WLAN标准带宽持续增加需求的挑战。对于ET来说，问题的关键在于电源调变器，必须在许多不同的性能方面有所提升。它必须能处理大量功率且极具高效率、 高线性度、高分辨率，以及几乎不为系统带来任何噪声，而且支持宽带调变。现代的无线标准必须不断地增加带宽而不折衷任何性能，使得只采用ET技术的方案前 景受到质疑。
AMO由于结合了移相和ET技术中提升性能时最需要的特性，因而能够用于解决移相和封包追踪案的设计挑战。图2 显示AMO的方块图，其中图2a是基本功能，图2b则描述典型的建置方案。它首先从讯号处理开始，即为具有多级电源调变器的PA提供相位调变讯号。其输出 结合高线性度的放大讯号，从而维持非线性PA的高效率。
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