射频与微波功率放大器发展的历程、现状与趋势

吴淘锁++邬海峰

摘 要：随着无线通信技术的快速演进，无线通信系统的性能指标变得尤为重要。功率放大器作为无线通信系统中影响发射机输出功率、效率、线性度等指标的重要器件，其研究和设计的重点也相应发生着变化。了解并掌握PA的相关演进过程与趋势，对于PA的设计和研发有着重要的意义。因此，文章通过基于20年间文献的调研成果，介绍了PA的演进历程、研究现状、发展趋势及其中一些亟待解决的问题。

关键词：发展现状；未来趋势；PA；射频与微波

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）11-00-02

0 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。

图1 PA的发展历程

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。

图2 近20年PA文献发表数目

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。

表1 PA文献发表会议统计表国别 百分比 国别 百分比

美国 78% 澳大利亚 3%

加拿大 4% 法国 2%

日本 3% 瑞士 2%

英国 3% 韩国 1%

中国 3% 新加坡 1%

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。

参考文献

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