射频与微波功率放大器发展的历程、现状与趋势

引 言

功率放大器（PA）是射频与微波系统中发射机末端的关键元件，其作用是将输入信号在需要的频带上进行放大，并使其功率达到系统所要求的等级水平，故PA 的性能直接影响到整个通信系统信号的传输距离和传输质量。分析 PA 的演进历程、研究现状与国内外发展趋势，有利于分析不同类型PA 产生的原因及特点，有利于PA 设计在无线通信技术发展中所面临的输出功率、效率、线性度等一些问题的解决，对设计良好的PA 有一定的研究意义。

1 功率放大器的演进

功率放大器（PA）的发展历程如图 1 所示，其中列举了 无线通信系统发展中的一些代表性事件。从图 1中可以看出， PA主要经历了发展初期、平稳过渡阶段蓬勃发展阶段这三个 发展阶段。 

1.1 发展初期 

如图 1 所示，1833 年，Faraday 最先发现硫化银的电阻不 同于一般的金属，其电阻随温度升高而降低，这被认为是半 导体现象的首次发现 ；1904 年，电子二极管问世 ；1906 年， 真空三极管的问世推动了无线电广播系统的发展 ；1920 年， 随着半导体的进一步发展，人们开始研究 PA，设计出传统的 模拟功率放大器有 A 类、B 类、AB 类及 C 类 ；为了解决 AB 类功率回退、效率降低的问题，1936 年，Doherty 提出了可以 提高射频 PA 效率的一种解决方案 [1]，即为 DPA ；为了进一步 实现 PA 的高效率指标，1958 年，Tyler 第一次提出了高效 F 类 PA 的一般性阐述 [2] ；1975 年，Sokal 在文献中提出了 E 类 PA 的基本模型 [3]，因其高频性能出色、结构简单而广泛应用 于无线通信、开关电源等领域中。

1.2 平稳过渡阶段

1980 年，数字预失真（Digital Pre-Distortion，DPD）被首次提出，进而破解了 PA 线性化技术中的难题，随之DPA 受到研究重视 ；1990 年，由于对线性度和效率折衷的迫切需要，AB、B 类PA 又得到了大力的研究与快速的发展 ；如图 1 所示，2000 年，Grebennikov 重新分析了 F 类PA[4]，并设计出了三次谐波峰化的负载网络，解决了 F 类PA 效率较低的问题，继而逆F 类PA 问世。由于这一段时期为模拟移动通信向着数字移动通信跨越的交叉时期，无线通信技术正处于转型阶段，故导致 PA 的研究随着无线通信的平稳发展而缓慢推进。

1.3 蓬勃发展阶段

2003年，为了提高 PA的效率与线性度，DPD首次结合AB类PA的应用如图 1所示，2005 年为降低 E类PA晶体管的峰值电压，进而减小其被击穿的风险，提高整体电路的可靠性，逆E类PA问世 ；随着无线通信系统的进一步需求与快速发展，2006年，为解决PA效率低、带宽窄的问题，简化其拓扑结构，J 类PA 被提出，并于 2009 年由Cripps 团队首次实现了J 类功率放大器的实体化设计 [5] ；2010 年，高效、宽带连续F 类PA 问世，与此同时，为解决传统 AB 类PA 必须工作在效率较低的功率回退区的问题，包络跟踪（ET）PA 问世。

随着无线通信新标准、新技术的不断发展，要求提高射频与微波PA 的各种性能，进一步降低成本、减小尺寸与重量。同时拥有良好的线性度、高输出功率及效率。基于 PA 的发展历程与演进原因，所有这些问题对其设计提出了新的要求，并决定了PA 的下一步发展趋势。

2 PA的研究现状及发展趋势

2.1 PA的研究现状

按照PA文献的发表时间、数量进行分析，从图2 可以得出， 1995 ～2004 年为慢速上升期，2005 ～2011 年上升速度较快，2012 ～ 2014 年，则有所下降并出现波动。通过对Journals& Magazines 杂志的论文发表量进行分析，可以看出PA 文献的发表数目是逐年上升的。由此可以说明，PA 在近 20 年里的研究在持续升温，并成为热门的研究课题。

由表 1 可知，通过对 PA 相关会议的地点分布进行分析， 美洲排名第一，亚太地区和 欧洲次之，发现可提供学 术交流平台的地区多为发达 国家，如美国、英国、日本 等国家，显而易见的是美国 占 78%，说明其占有绝对的 研究优势，而中国仅占 3%， 说明中国在 PA 研究领域仍 然处于发展初期。

2.2 PA 研究的发展趋势 

近几十年来影响射频与 微波功率放大器发展的因素 主要为器件、工艺与技术， 如表 2 所示，文献的索引率 及引用率反映了近四年 PA 研究的热点课题。通过表 2 的分析 结果，结合文献分析与 PA 有关的热点研究，可以分为 E 类 PA、DPD、GaN、Doherty、晶体管模型等，具体相关的热点 研究方向为以下几个方面 ：

（1）由于高效率 PA 的研究是未来发展方向，故针对 E 类 PA 的研究仍将是重点 ； 

（2）DPD 技术作为提高 PA 线性度的热点研究方法，其 宽带特性也是重点研究对象，未来 PA 线性度研究仍是重点 ； 

（3）GaN PA 虽然出现较晚，但是近些年拥有较高的关注 度，表明了其强劲的研究态势，是未来大功率 PA 的主力； 

（4）PA 设计的基础为晶体管的建模，因其非线性效应的 建模是提升 PA 线性度等指标的重要保障，因此也将是研究 热点之一 ； 

（5）Doherty PA 是电路架构研究方式中的热点问题，因 为它可以实现效率和线性度的良好折中，同时针对峰均比信号 具有良好的平均效率。

3 结 语

综上所述，PA 的研究仍是一个持续升温、热门的课题， 设计具有高集成度、低成本、高效率的集成 PA，以及研究具 有高效率、高线性度等指标的 GaN 分立 PA，将是未来射频 与微波功率放大器的发展趋势，同时通过提高现有 PA 的效率、 线性度及晶体管模型精度，通过新型器件和新颖的设计技术， 将有利于促进无线通信系统的进一步发展。