結合AMO技術　GaN實現高效率/高頻寬調變

如果能夠減少對溫升問題的關注度，那麼一家無線營運商在新基地台的選址方面就可以有更大的靈活性，而這些新的基地台可以支援4G和未來技術在無線資料使用量方面所帶來的大幅增加。

但是，更高的效率必須伴隨著4G無線訊號更寬的頻寬和高線性需求，為解決這個問題，新創企業Eta Devices Inc.最近正在為一項由麻省理工學院(MIT)所開發的非對稱多級反相(Asymmetric Multilevel Outphasing, AMO)技術進行商業化。

此一非對稱多級反相技術將反相技術的高線性與提升效率、多級別、分立開關的漏極偏置電壓(Discrete Switched Drain Bias)相互結合。

分立開關漏極偏置電壓是支援寬頻寬、同時保持高效率的關鍵所在，而這也是這項技術超越傳統封包追蹤(Envelope Tracking, ET)技術的最大優勢。圖1所示為非對稱多級反相技術如何實現效率提升，超越單一的反相技術。

圖1 具有四種波幅等級(Amplitude Level)的非對稱多級反相調變技術之理論效率，與兩級的非對稱多級反相和「一級的」反相(或稱為LINC，即具有非線性成分的線性放大)。

在任何反相系統中，最大的效率是從單一的功率放大器性能所獲得的。在大功率放大器設計中，Eta Devices使用氮化鎵(GaN)HEMT元件，這種元件顯示實際的峰值漏極效率超過了80%。選用GaN技術是因為它具有比現有矽元件更好的性能，矽元件在相同條件下的峰值漏極效率僅勉強超過70%。

配合高性能射頻(RF)放大器，電源開關系統必須針對具有最小瞬變的低損耗開關而優化，系統的時序是非常重要的，須要對每一訊號和控制路徑中的延遲進行管理。一旦正確地同步，Eta Devices的專有數位預失真(Digital Predistortion, DPD)技術便是實現嚴苛4G系統相鄰通道功率比(ACPR)規範的關鍵。

這種架構已經在多種功率位準和應用中實施了，包括用於手機和無線區域網路(WLAN)發射器的1瓦(W)功率放大器到用於基地台的100瓦功率放大器，並採用了多種半導體材料如GaN、砷化鎵(GaAs)和矽材料。

實測非對稱多級反相/封包追蹤

目前，業界有兩種眾所周知的方法可透過非線性功率放大器來實現線性放大，它們是反相(Outphasing)技術和封包追蹤技術。

反相使用兩個在等幅波下工作的相位調變放大器，輸入訊號可轉換為合適的相位並送至放大器，其輸出是組合式的，以便相位成分的增強和刪除能夠讓訊號可以準確地複製輸入。

實際上，反相需要功率組合器，能夠為每個功率放大器提供一致的負載；在放大器之間實現隔離，並提供大功率處理能力。這些特性可能難以實現，尤其是在寬頻帶上。

反相的另一個限制就是具有高峰值平均功率比(Peak-to-Average Power Ratio)(也就是平均功率輸出低)的訊號會導致效率下降，因為阻性負載會浪費並消耗許多放大器的功率。

封包追蹤將射頻訊號分成單獨的相位角和振幅成分。功率放大器在飽和模式下工作，通常為開關模式之一，例如Class E。

相位調變會被應用在射頻驅動，而為功率放大器供電的直流電(DC)電源則透過振幅封包進行調變，因此相位和振幅同時在輸出端還原(Restored)。儘管封包追蹤非常普及，但它仍然面臨到4G和WLAN標準對頻寬要求越來越寬的挑戰。

對於封包追蹤來說，問題的關鍵是電源調變器，這必須在許多不同的性能方面皆有所提升。它必須處理大量功率、極為有效、具有高線性度、高解析度、極少的雜訊會注入到系統內，並且支援寬頻調變。

現代的無線標準在要求增加頻寬的同時，也不會對性能的要求有所妥協，使得只採用封包追蹤技術方案的未來前景備受質疑。

反相和封包追蹤的設計挑戰已由非對稱多級反相解決，後者結合了反相和封包追蹤的最合適特性來改善性能。

圖2所示為非對稱多級反相的方塊圖，圖2a所示為基本的功能；圖2b說明了典型的實施方案。它從訊號處理開始，提供相位調變訊號給功率放大器，而功率放大器具有多級電源調變器。已放大訊號的輸出結合了保持非線性功率放大器高效率的高線性度。

圖2 非對稱多級反相的方塊圖

非對稱多級反相解決方案的物理特性有利於在高效率下實現高頻寬調變，但它卻是以非傳統的數位預失真方案為代價，而這些數位預失真方案正是此一非對稱多級反相實施方案的核心。

雖然數位預失真架構是非傳統的，但所需要的計算資源與傳統數位預失真的並無不同。因此，它沒有與數位複雜性相關的隱藏性功率成本，所以不會危害到總體效率的增益。

總之，非對稱多級反相允許以一種抵換(Tradeoff)來解決反相和封包追蹤行為的限制，從而實現在每個方面都具有最佳特性的系統。

善用GaN元件提升PA性能

核心開關模式(Switch-mode)功率放大器的效率決定了反相、封包追蹤和非對稱多級反相等技術的最大系統效率。

對於現有的無線通訊放大器，大多數最高效率的生產元件都採用GaN製程來生產。例如，在麻省理工學院開發的原型中所使用的GaN HEMT元件，在最大飽和輸出功率上規定了65%(3.6GHz)和>70%(2GHz)的典型效率。

圖3所示為功率放大器電路圖，而圖4是已組裝的放大器照片。對於非對稱多級反相應用，功率放大器被設計成能在整個由階梯式開關電源調變器所提供的漏極電壓範圍，一直都可具有良好的性能。

圖3 10瓦Class E 1.95GHz測試電路的原理圖

圖4 Class E GaN放大器

測試發射器整體性能

一個完整的發射器(圖5)包含幾種附加的系統成分。基頻(Baseband)I和Q訊號被傳送至採用現場可編程閘陣列(FPGA)實現的數位預失真和調變訊號處理器中。

圖5 測試發射器的方塊圖

在此系統中，數位預失真透過查閱查找表(Lookup Table)來實現，該表是以功率放大器上發射器在不同組合直流電等級所測出的靜態非線性特性來建立的。

反相信道(Channel Phase)相位調變資料被傳送到兩個功率放大器的數位模擬轉換器和相位調變器。振幅調變資料以及粗略的延遲校正，則會驅動電源調變器電路。射頻前置放大器提供了必需的驅動等級，而在輸出端，組合器將功率放大器輸出匯總到一個射頻輸出中。

非對稱多級反相將單獨採用反相和封包追蹤其中一種方法時所得的理想屬性相結合。

圖6所示為四級非對稱多級反相測試發射器的效率與頻寬性能的對比。非對稱多級反相系統架構使用Class E GaN功率放大器，與最新的數位預失真方案相結合，可在1MHz頻寬上提供平均70%的已調變漏極效率，而在20MHz頻寬上僅稍微降至68%。電源調變器損耗已包含在此一效率測量中。

圖6 在2.14GHz、100瓦峰值功率、7dB PAPR和ACPR>45dBc上的效率與頻寬之對比

圖7顯示採用最新數位預失真方案的相鄰通道中之頻譜能量。在20MHz通道頻寬上，ACPR性能大於54dBc，同時可保持68%的效率。效率與功率後移(Backoff)對比測量資料則如圖8所示。

圖7 20MHz BW、7dB PAPR傳送的頻譜性能，載波頻率為2.14GHz，輸出功率為100瓦峰值。

圖8 在功率後移下的測量效率(ACPR>45dBc)。圖中顯示出四個單單獨的漏極電壓，虛線說明了四級非對稱多級反相如何在整個功率後移的範圍達成系統的效率。

雖然在最大平均輸出功率上，這些元件具有70%的已調變漏極效率(包括調變器損耗)，但在功率後移上的性能可說是更加重要。這是因為網路營運商幾乎從來不在最大平均輸出功率上運行他們的基地台。

相反地，它們通常是在最大值的30%至50%工作。圖8顯示對於最大平均功率的10dB功率後移，該元件系統僅損失10%的效率。對於具有7dB PAPR的訊號，這實際上從峰值功率上後移了17dB。

這項技術正持續地在擴充其能力，專注於支持長程演進計畫(LTE)和多載波GSM(MC-GSM)，實現軟體定義無線電(Software-defined Radio)，並且迎接擴展的頻寬標準(如WLAN)所帶來的挑戰。

(本文作者Raymond Pengelly與Ryan Baker任職於科銳，Mattias Astrom和Joel L. Dawson任職於Eta Device)