0 引言

    移動通信技術的革新不僅深刻改變了人們的生活方式，而且已成為推動國民經濟發展、提升社會信息化水平的重要引擎。隨著4G的大規模商用，其發展已進入成熟期，面向2020年及未來的第五代移動通信（5G）已成為全球研發熱點。5G無線通信將開啟“萬物互聯”時代并實現高可靠性、低時延、低功耗及數據傳輸速率的跨越式提升，能為用戶提供更多的應用和服務體驗。鑒于6 GHz以下頻段的各類無線電業務已十分密集，而毫米波頻譜不僅資源豐富，且能提供更大的帶寬和更高的數據速率，非常契合5G通信的需求；且由IMT-2020（5G）推進組發布的5G無線技術試驗進展報告中也明確了毫米波在未來5G系統中的應用^[1-3]。

    移動通信技術的發展依賴于集成電路工藝和器件的進步。射頻功率放大器（RFPA）作為整個收發前端的核心功能模塊之一，將直接影響到設備的通信質量、信號接收能力、電池續航等重要指標。采用砷化鎵（GaAs）工藝的PA芯片是目前4G市場上的主流，但其成本相對較高，且不便與數字部分集成。著眼當下多代半導體材料共同發展的格局，對比Si基CMOS、BiCMOS、Bipolar、PHEMT和HBT等主流集成電路工藝，結合5G射頻模組全集成化、微型化的發展趨勢和大規模量產的市場需求，應用最為廣泛的硅CMOS工藝憑借自身具有的低成本和高集成度優勢而成為最佳選擇。且其經過長期的發展，工藝成熟穩定，具有完備的產能供應鏈，晶體管的特征尺寸及功耗越來越小，頻率上限在不斷提高，因而可被應用于毫米波前端電路設計并有望實現真正意義上的SoC（System-on-Chip）^[4-5]。

    CMOS電路基本功能的實現源于MOS晶體管的跨導作用：利用柵極電壓的場效應控制導電溝道里的載流子濃度變化實現電壓到電流的轉換。但跨導會隨著交流信號頻率的不斷提升而退化，從而導致了毫米波電路較低的放大能力；且隨著CMOS工藝節點不斷向納米量級深入，越來越薄的柵氧化層使得晶體管的耐壓能力逐漸下滑，從而限制PA的供電電壓并增加了提升輸出功率來克服毫米波信號衰耗大、覆蓋距離短的難度；再者，CMOS工藝下的各種損耗和寄生效應及片上無源元件（電感、變壓器和傳輸線）的低品質因數對PA的效率和帶寬也造成了一定的影響，熱載流子效應的存在還將會提高晶體管的閾值電壓^[6-7]；此外，5G系統采用的多載波聚合技術將多個離散的頻譜資源整合在一起以支持更大的傳輸帶寬，但這會產生較高的峰均比（PAPR），迫使PA工作在功率回退區以滿足嚴格的線性要求來減少通信過程中的誤碼率和寄生干擾，造成了效率低下的現象；最后，為了進一步提升頻譜效率，提高5G系統容量而使用更高階的QAM調制技術，其解調過程復雜且要求具有高信噪比（SNR），進而對PA的輸出功率提出了更嚴苛的要求。因此，高性能的毫米波CMOS PA需要在獲得足夠增益和輸出功率的同時盡可能地提高線性度和功率附加效率（Power Added Efficiency，PAE）并應具有多模多頻能力以滿足5G通信的需求^[8]。

    針對CMOS工藝自身存在的物理缺陷，工程上可通過一系列技術予以緩解：由于CMOS的跨導較低，毫米波PA可以采用多級級聯的方式來克服單級電路在增益上的不足；應用Cascode（共源共柵）和Stack（堆疊）結構減輕晶體管擊穿電壓（Breakdown Voltage）的壓力，提高輸出電壓的擺幅和末級放大器的隔離度^[9-10]；并通過將多個晶體管組合成一個單元（Cell）的方式來優化版圖布局以削減寄生電容的影響及所占用的面積^[11]；差分結構的引入除能抑制共模信號外還可有效降低對輸出晶體管最大電流的要求，從而減小輸出端寄生電阻對電流的消耗以提高PAE，且該結構還能降低襯底耦合作用對其他電路的干擾；進一步地可運用巴倫（Balun）型變壓器將兩路差分信號合成，這樣就實現了在低輸出電壓擺幅下使電流密度加倍，從而顯著提高輸出功率^[12]。但上述改進所帶來的性能提升有限，還需要融合更為有效的電路設計結構以全面改善RFPA系統。

1 PA效率增強技術

    為實現5G時代的高速信號傳輸，通信調制方式將愈發高效，信號的峰均比也相應提高，致使PA的效率發生顯著的下滑；而且手持移動終端往往需要多個獨立的PA以滿足其在全頻段內的正常工作。因此作為射頻發射機中耗能最多的核心組件，PA效率的高低影響著設備的續航時間及用戶體驗，解決的方法主要有兩類：

    (1)運用有源負載調制的Doherty和Outphasing技術等。在該類模式下，PA的負載阻抗可以隨著輸出功率大小動態變化，從而確保了PA在回退區也能達到高效率；

    (2)運用動態電源調制的EER(Envelope Elimination and Restoration)和ET(Envelope Tracking)技術等。該類的核心思想是根據輸入射頻信號的包絡幅值來動態調整PA漏端的供電電壓，使得PA始終工作在飽和高效率狀態，如圖1所示^[13]。

    Doherty架構由于沒有非線性的信號處理過程，信號帶寬將維持不變，如圖2所示。其最大的特點是利用效率曲線的6 dB回退來提高效率，但面對高PAPR信號時，需要結合預失真、前饋等線性化技術才有比較好的效果；此外復雜的輸出匹配網絡和1/4波長傳輸線的應用不僅增加了損耗還占據較大的芯片面積，因而對Doherty技術的應用造成了一定的限制^[14]。

    Outphasing技術將輸入分離得到的兩路恒包絡相位調制信號分別通過工作在飽和區的高效率分支PA，最后在輸出端合成為線性放大的信號，如圖3所示^[15]。由于實際物理器件的非理想特性及其嚴格要求兩路PA的匹配度，導致Outphasing系統的適應性差而很少應用于工程設計。

    EER結構如圖4所示，由包絡檢波器分離輸入信號而得到的幅度信息經過電源調制器后通過控制PA的漏極電壓進行幅相合成；恒包絡相位信號則可以采用高效率的開關模式PA進行放大，這使得整體效率得以提升。但當處理高PAPR信號時，EER系統中的限幅器難以再為開關PA提供有效的恒包絡信號而影響整體的線性度，且幅相分離會導致劇烈的帶寬擴展；EER對于幅度和相位路徑的時延一致性要求十分苛刻，這給設計帶來嚴重的阻礙^[15]。

    而ET技術則直接將輸入信號送進線性PA，電源調制器只影響PA的效率和輸出信號的線性度，結構如圖5所示。因此，ET技術對于幅度、射頻支路的時間對齊要求和PA的帶寬需求都將大幅降低；相比有源負載調制類技術，ET架構對效率提高的過程與PA的射頻端口匹配無關，且其在功率回退范圍內的效率提升突出，功率損耗小，并憑借高度的靈活性而適用于多模多頻的通信方式^[16]。

    表1歸納總結了上述四種主流PA回退效率提升技術的性能對比情況。綜合來看，ET技術在5G移動終端的應用前景更為樂觀，因此本節重點對其的研究狀況展開論述。

    ET PA系統的整體效率及線性度在很大程度上依賴于電源調制器（包絡放大器）的性能，因而其是設計的難點和研究熱點。包絡信號的帶寬一般為調制信號的3～4倍，具有更寬帶寬的高PAPR包絡信號將會顯著降低包絡放大器的效率，如果沒有被正確放大，還可能會在RF輸出中引入額外的失真^[17]。目前有兩種解決途徑：一是設計出高效寬帶的包絡放大器；另一種是通過基帶信號處理的方法，在不影響整體效率的前提下，降低包絡信號的帶寬，如壓擺率限制（Slew-Rate Limited）法，其通過調節因子N得到不同的輸出包絡，在時域上能很好地跟蹤信號，但高頻部分沒有得到較好的抑制，該算法復雜度適中且易于實現^[18]。

    傳統的包絡放大器結構多以開關電源拓撲為基礎，常用Buck型開關DC/DC變換器實現，信號包絡經過Δ-Σ或PWM調制后由輸出晶體管放大，再通過濾波網絡進行還原；但Buck變換器的帶寬嚴重受限，其效率隨著開關頻率上升而顯著下降^[19]。目前主流結構是采用由寬帶線性放大器和高效開關變換器并聯構成的混合型電源調制模塊，其能在不增加開關頻率的情況下進行更精確的跟蹤，結構相對簡單、易于集成，可實現效率和帶寬的良好折中，融入Buck變換器后還能實現包絡信號的自適應壓擺率控制^[20]；但因為相對低效的線性PA提供了大部分的電流，故對于LTE等寬帶信號的處理，這類方案所能達到的效率基本限制在70%以內。對此，可以加入反饋環路予以改善，典型的電流檢測技術是在線性PA的輸出端串聯一個小的電阻，并測量其上的電壓降，該法雖然準確，但因其會帶來較大的損耗而不適合高電流應用；另一種是檢測輸出級的輸入端電壓并將其直接轉換為開關變換器的控制信號^[21]。然而，電流檢測控制環路所引入的額外延遲將不可避免導致效率的降低，且PA負載的非線性特性會使得極零點相消失效并由此可能引發不穩定現象。ET PA的一個關鍵是在最大平均功率下提高效率，但在回退區時，由于電源電壓較大將致使線性PA的效率迅速走低。文獻[16]給出的方案是根據包絡信號的平均功率來調整線性級的供電大小，再設計一個獨立于電源的推挽AB類輸出級以避免交越失真，使用多級供電的方式去逼近包絡信號曲線，如圖6所示，并根據功率回退的大小調整線性放大器和開關變換器的電流比，從而使系統在低功率區域的效率得到改善并同時減少了開關損耗，提高了包絡放大器的帶寬。

    為能更好地實現寬帶寬、低紋波和高效率的理想組合，文獻[22]提出了一種基于原混合型包絡放大器改進的雙開關構思，其通過一定的邏輯控制，使額外并聯的開關變換器能夠補償原開關級不能提供的高頻電流，并且第二級開關用V_DD/2供電，使得紋波電流減半從而大大減少了線性級的工作量，最終在20 MHz信號測試中得到83%的平均效率。

    為保證系統的高效工作，需要在低頻包絡和RF信號路徑間進行時間對齊，否則會產生帶外失真，致使PA無法滿足輸出頻譜掩模板（Spectral Mask）的要求，因此可采用反饋接收器來校正延遲失配^[13]；此外，包絡信號需要進行整形處理后才能作為漏極偏壓對PA供電，其還應跟隨IMD3的最佳點來減少非線性失真，包絡的最小值應略大于Knee電壓。而對于CMOS工藝，PA設計中廣泛采用的Cascode結構會導致Knee電壓的增加，從而引起共源管在固定的柵極偏置及低電源電壓供給的情況下，進入線性工作區，由此會產生較大的增益偏差，降低系統的線性度、輸出動態范圍和功率附加效率^[23]。此時包絡放大器可應用直流偏移（DC Shifting）和包絡衰減（Envelope Scaling）相結合的方法對所增加的Knee電壓提供額外的補償并能避免峰值削波^[24]，接著可引入文獻[25]介紹的動態反饋控制和自適應柵極偏置技術來減小AM-AM失真。采用Cascode結構還需要仔細考慮共源與共柵晶體管的尺寸比例，因其在一定程度上影響著PA整體的效率。

    關于ET PA的優化已經進行了大量的工作，包括器件尺寸、開關級的異步切換和包絡成型函數等，效率的提升有助于降低系統成本且能提高可靠性。考慮到ET及Doherty技術分別從直流供電和功放結構上改善效率，故另一種可行性方案是將兩者結合，優勢疊加，使ET Doherty PA在保證線性度的基礎上能在更大的功率回退范圍內實現高效率這一目標^[26]。

2 PA線性度增強技術

    RFPA的最優效率通常在飽和工作區附近取得，但同時也帶來了強非線性效應而導致新的頻率分量產生，特別是對于高峰均比的信號，僅僅采用功率回退難以在效率和線性度之間取得平衡，因而現代無線通信系統強烈依賴于PA的線性化技術。衡量其改善效果的指標主要有1 dB壓縮點輸出功率、雙音（Two-tone）或多音信號輸入時所產生的諧波和互調失真、鄰信道功率比（ACPR）以及誤差矢量幅度（EVM）。PA器件的非線性主要是由工作電路中的電容和電感引起的，用AM-AM和AM-PM特性曲線表征；通常，帶內失真會惡化信號的EVM，帶外失真會引起頻譜擴展和能量泄漏。在寬帶通信系統中，PA會存在記憶效應，即電路中各節點的瞬時電壓和電流值不僅取決于當前輸入，還與歷史值有關。

    最早提出的負反饋技術是通過環路增益因子來抑制PA的非線性失真，對互調分量的抑制具有較好的效果且結構簡單，如圖7所示^[7]。其依據信號處理的方式不同可分為：包絡、極坐標和笛卡爾負反饋(Cartesian Feedback)等。其中，笛卡爾負反饋技術具有很強的抗老化效應，對PVT變化不敏感，且沒有嚴格的匹配要求，但由于受到PA穩定性和反饋網絡的帶寬限制，其還需結合自動LO(Local Oscillator)相位校準等方法進行改善^[27]。

    前饋(Feed-forward)技術的線性化效果更好，其建立在反饋的基礎上，是一種開環結構，采用在PA輸出端饋入誤差修正信號來抵消PA的非線性失真，如圖8所示。該技術在工作頻帶內不損失器件的增益帶寬且具有無條件穩定性，缺點是硬件成本高，結構實現復雜，并要求各耦合支路通過延時補償后嚴格對齊。此外，PA外部的工作環境變化會導致消除回路的幅相特性產生失真，造成線性度的降低^[28]。現有的研究文獻提出了許多不同的自適應優化方案，如基于DSP的前饋PA控制算法，其將信號消除和失真消除電路部分在基帶數字域實現，并基于最小二乘模型對回路的電路系數進行估計^[29]，但受限于A/D、D/A的采樣速率，信號處理帶寬和精度不夠高且數字控制法需要根據輸入信號特征進行參數化學習和訓練。前饋技術通常用于對線性度要求較高的場景，如衛星通信系統等。

    在無線通信系統中應用相對廣泛的是預失真（Pre-distortion）技術，其通過在PA前端級聯與PA非線性特性相反的電路模塊，使兩者的非線性相互抵消，即能得到一個與輸入信號功率無關的常數增益和恒定相移，如圖9所示^[30]。

    其按照實現方式的區別可分為數字預失真和模擬預失真，前者可以通過增加采樣率和增大量化階數的辦法來抵消高階互調量，適應性較強，常用的無記憶查表法需要預先建立存有校正數據的查找表(Look Up Table)，但由于其不能包含與PA傳輸函數相關的溫度、電源電壓、偏置和工藝條件等影響因素而降低預失真補償所能達到的性能。雖然表中系數的更新信息可通過自適應反饋提供，但這要構建復雜的系統模型。數字預失真技術的主流發展方向在于如何對實際PA的行為特性進行準確建模，并通過高效的混疊算法產生相應預失真信號^[31]；而后者是利用射頻器件固有的非線性對PA的失真做出補償，主要采用場效應晶體管(FET)、肖特基二極管和異質結雙極晶體管(HBT)的基極-發射極二極管^[32]。文獻[33]在對稱Doherty PA中內置一種簡單的模擬預失真線性化電路，其充當自適應損耗元件并有效校正了功率回退時的AM-AM響應，將P1dB從23 dBm擴展到25.1 dBm而PAE并沒有太大損失。相比前者，模擬預失真技術的電路結構更加簡單、成本和能耗更低、頻帶寬且可以工作到毫米波頻段，更適合高頻高帶寬的應用場景。

    綜上，各種線性化方法大體可以歸成開環或閉環兩大類。反饋技術通過使PA的增益降低來壓低非線性失真信號的增益，但前提是PA本身具有足夠高的增益才能獲得較好的線性化程度。而前饋技術不僅可以得到與閉環系統相當的線性化能力，而且還具有開環結構的穩定和寬帶；不過，前饋系統的校正環中需要輔助PA，所以總的效率比較低。預失真技術雖然沒有閉環系統的校正精度，但它能夠處理多載波信號，調制帶寬非常寬，也不存在制約閉環系統固有的穩定性問題；并且其實現簡單，成本較低，適用于寬頻帶、大容量的通信系統[12]。幾種常用的PA線性化技術的性能對比如表2所示。

3 結論

    相比價格昂貴且成品率低的Ⅲ-Ⅳ族化合物半導體工藝，硅基CMOS工藝經過長期的發展，已在性能上取得了長足進步并憑借高集成度及低成本的優勢，再結合架構改進等優化方案，使其在毫米波頻段的商用具有足夠的吸引力；而PA作為射頻收發機中的關鍵模塊，其性能的好壞直接影響著整個通信系統，因此研究毫米波CMOS射頻功率放大器對于推動5G通信技術的普及具有重要的意義和實用價值。

    為應對高PAPR問題，需要對PA進行線性化處理，改善PA的非線性特性，減小信號的畸變并保證其在功率回退區時仍具有高效率。

    包絡跟蹤（ET）技術有著高度的靈活性且適用于多種通信標準，是PA回退效率提升的一方良策，其根據輸入信號的包絡動態調整PA的漏極偏置電壓，這樣即能在很寬的功率范圍內保持高效率工作，但在設計時還需綜合考慮延時不匹配和帶寬受限等問題。

    高PAPR會使PA快速進入飽和區而呈現出增益壓縮，由此會產生AM-AM和AM-PM失真。PA線性化技術的引入有助于減少通信系統的誤碼率和寄生干擾，相比負反饋和前饋技術，預失真方案具有尺寸小、復雜度和成本更低的優點，能很好地于單片集成電路中實現，其中的模擬預失真技術還具有使用頻率高的特點，可被應用于毫米波領域。

    鑒于現代通信信號調制方式愈發復雜高效的發展趨勢，單一的功放技術已變得難以滿足需求，將包絡跟蹤與線性化補償技術結合起來，才能在未來5G通信上有更廣闊的發展前景。

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文獻[19]-[33]略

作者信息:

彭  林，章國豪

（廣東工業大學 信息工程學院，廣東 廣州510006）