射频与微波功率放大器的分类研究现状

引 言

近年来无线通信系统经历了一场快速而又激烈的技术变革，因此导致其软件到硬件都要变革。功率放大器（Power Amplifier，PA）作为重要的硬件模块，其很多特性指标如功率输出、线性度、可靠性等对无线通信很重要，因此也在不断变革。了解不同类型PA 的设计背景、材料及工艺研究现状， 有利于实现 PA 设计时各指标间的良好折中与优化，进而实现PA 最佳性能与成本结构的框架优化，合理实现不同无线通信系统需求。而现有的文献综述往往通过个案介绍不同类型PA 研究现状，缺乏一定的统计学规律。为了弥补上述不足，本文通过文献综述方式，针对不同类型的晶体管对不同类型的功率放大器的研究现状进行了研究。

1 RF/MW PA的研究概况

无线通信系统纷繁复杂，对于PA 的设计要求也多种多样， 没有哪一种PA 能够同时满足所有系统的需求，因此就产生了很多不同类型的PA。现有的PA 按照工作原理的不同可以分为传统 PA 和开关PA，传统 PA（A、B、AB、C 类）设计原理较简单，设计思路接近，同时其 A 类和 AB 类PA 具有较高的线性度，但是效率较低，相比之下，开关类 PA 则具有较高的效率但是线性度较差。

在各种类型的PA 中，传统 AB 类电路结构简单，被认为是效率和线性度折中的电路类型，但是功率压缩等特性导致它在较高效率工作时，线性度恶化较严重。如现有商用GaN HEMT PA 在满足 30 dB 的三阶交调的 C/I（Carriers to the Intermodulation）指标时，仅有 28% 的效率[1]。在理想情况下， AB 类PA 仅有 78.5% 的效率，实际效率将低于此结果。

当传统 AB 类（或 B）类 PA 的效率指标无法满足现有无线通信系统的需求时， 开关型 PA（Switching Mode PA，SMPA）的研究则继续推动了高效率 PA 的发展，SMPA 将有源晶体管驱动为开关模式，晶体管的工作状态要么是开，要么是关，其电压和电流的时域波形不存在交叠现象，所以是直流功耗为零，理想的效率能达到 100%。开关模式工作状态使放大器脱离线性区域，从而不能调制变包络信号（像WCDMA、TDS-CDMA、QPSK 等信号），只能调制对线性度要求比较弱的恒包络信号（FM、FSK、GMSK 等信号）。如图1所示，高效、开关 PA 可分为D、逆D、E、逆E、F、逆F、Continuous F 类、逆Continuous F 类、Continuous E 类等。

D 类PA 首次被提出是在 1958 年，它与推挽（Puch-Pull） B 类PA 结构很接近，与一般的线性AB 类PA 相比，D 类PA 具有体积小、功率高等特点；逆 D 类（Current Mode Class D， CMCD）PA 在 2001 年问世，在此之后，其工作频率和效率指标不断提升，由于其输出负载为 RLC 并联电路，且谐振于固定工作频率，致使它的效率同样受晶体管寄生封装的影响，如GaN CMCD PA 目前实现了最高在 2.14 GHz 频率的高效工作状态，已实现的最高功率附加效率（Power Added Efficiency， PAE）为 71.3%[3] ；

E 类 PA 是一种强开关型、 高效率的 PA，1975 年由Sokal 提出[4]，其设计思路为通过对晶体管的电压整形，减小开关导通瞬间的损耗，但对开关截至未做波形控制，一定程度上致使 PA 的效率降低，故E 类PA 需要高击穿电压的功率器件 ；逆 E 类PA 于 2005 年被提出，从一定程度上降低了 PA

电路受功率器件寄生效应的影响。

F 类PA 是一种由谐波控制的高效率 PA，1958 年由Tyler 提出[5]，其设计目的是基于B 类PA 经高次谐波峰化，实现对晶体管电压、电流波形优化，减小开关的损耗，达到提高 PA 效率的目标 ；为进一步提高 F 类PA 的效率，降低直流功率， 逆F 类PA 于 2000 年问世，高效率因素使得F 类和逆F 类PA 变得非常流行。

J 类PA 是一种利用调整二次谐波、控制电压与电流而获得良好宽带特性的 PA，2006 年由Cripps 提出[6] ；2010 年， Carrubba 首次提出Continuous F 类 PA[7]， 通过改变输出电路二次谐波阻抗相位响应与优化基波负载阻抗，实现宽带特性下功率器件的输出具有恒定功率、高效率特性 ；2012 年， Mustafa 首次提出Continuous E 类 PA 的设计方法， 使宽带Continuous E 类PA 的进一步实现有了可能，但目前仍处于理论研究中[8]。

PA 经过从“A-J”类及其它交叉类型的发展，因无线通信系统的不同需求而具有各自不同的研究背景及特点。多种类型的PA 设计技术的结合或交叉发展，将有利于提升PA 电路的输出功率、效率及线性度等指标。

2 不同类型 RF/MW PA的工艺研究现状

对晶体管工艺按照频率和输出功率进行比较研究，可以根据其发展规律获得不同时期多对应的PA 产生的原因及应用特点。晶体管按照半导体材料主要分为 CMOS、LDMOS、GaAs及 GaN HEMT 等工艺。

2.1 晶体管工艺

CMOS 工艺以 Si 材料为衬底，Si 材料丰富、价格低廉，进而容易实现单个 CMOS上的单芯片系统，实现低成本下的 高度集成。LDMOS 工艺具有高线性度、功耗低、工艺简单、 性价比高的优点，适合应用于大功率的系统中，但随着系统 工作频率的升高，其寄生参数对性能的影响越来越大，导致 晶体管只适合应用于较低频率的系统中（一般小于 3 GHz）； GaAs pHEMT 工艺具有低噪声、高功率输出、高效率及温度 稳定的特点，GaAs HBT 工艺适合高功率、高效率、高线性度 的 PA 设计，因单电源供电，易简化实际电路与设计电路的实 现难度 ；GaN HEMT 在禁带宽度、高频噪声小、介电常数大、 高输出功率、高频率特性等电学特性方面具有绝对优势。

如图 2 所示，通过对应用广泛的常见半导材料进行频率 与输出功率的比较，SiC 与 GaN 因具有较高的击穿电压而获 得较高的功率密度，进而可以输出大功率 ；相比于其它半导体 材料及工艺，在高频频段产生大输出功率的只有 GaN，因其 具有高电子饱和迁移率，从而获得大功率输出密度，进而提高 工艺器件的开关速度，以保证 GaN HEMT 工艺器件在高频段 领域获得应用。 

2.2 高效 PA 设计中功率晶体管的应用趋势 

截止到 2014 年底，在过去的 10 年中，IEEE 数据库中 关 于 CMOS、LDMOS、GaAs pHEMT、GaAs HBT 及 GaN HEMT 三代 PA 的研究文献数目、发表年份的统计结果见表 1 所列。统计论文包括会议论文、期刊和杂志论文，根据其综合 趋势分析 RF/MW PA 的现状如下：

通过对表 1 分析， 可以发现， 由于 D 类 PA 的应用领域为低频段，且常用于音频放大电路的设计，要求其成本较低，故采用CMOS 和 LDMOS 工艺 ；由于 E 类PA 对晶体管要求苛刻，要求器件必须拥有击穿电压高、输出电容小及开关性能出色的性能，通过表 1 可发现 E 类PA 多采用CMOS 与LDMOS 工艺，原因为该E 类PA 在高于 2 GHz 时其晶体管寄生参数会恶化电路指标，且漏极输出电容会发生漏极电压和电流畸变现象 ；F 类PA 具有较高的漏极效率，相对输出功率最大，对晶体管的耐压需求最低，即对工艺要求较低，根据不同应用需求可采用不同的晶体管工艺，故可发现其研究文献数目相对均匀。

J 类PA 属于具有宽带输出的功率放大器，需要晶体管的输出电容较低，故可以发现多采用GaN HEMT 工艺 ；由于连续F 类PA 是基于J 类PA 产生，属于新型PA，故其晶体管工艺研究情况与J 类PA 相似。

由此可见，不同类型的晶体管在不同类型的PA 的设计中占有的比重不同，这可以间接说明不同类型的晶体管适用的PA 类型各有不同，因此可以指导PA 设计者选用适合晶体管设计所需类型的电路。

3 结 语

综上所述，文章通过分析射频与微波功率放大器的分类及其特性，研究晶体管的工艺现状，将有利于新型PA 的设计实现。不同类型 PA 的工作机理不同，具有的特性和应用领域 也不同，进一步提高 PA 的功率输出、效率及线性度等指标仍 将是新一代 PA 研究的趋势。