射频功率放大器进阶篇-线性度和效率之间的永恒矛盾

"世上安得双全法,不负如来不负卿"，这是六代达赖喇嘛仓央嘉措的情诗。对，世界上的所有事情都是矛盾统一的，连我们的功放设计也莫若如此。如何讲？且听RF君慢慢道来。

电路的线性度和效率是两个相互矛盾的要求。如果电源能量有限，那么没有任何电子器件可以保持恒定的增益，因此无法保持恒定的线性度；为了使功率效率更高，在同样的输出功率条件下，系统需要从电源吸收较少的功率，这便不可避免地导致了更高的增益压缩，而这又会使得系统的频谱效益降低。这便是线性度-效率之间矛盾关系的基本原理，同样也可称作为功率-频谱效率的折衷。

由于非线性失真是由系统的功率限制所引起的，自然就和处理最高信号水平的模块关系最为密切，也就是我们的功率放大器。

线性度-效率之间的矛盾关系是如此关键，以至于设计者们宁愿让振幅包络的峰值略微产生失真，随后再对失真进行补偿（使系统线性化）或者甚至抛弃传统的笛卡尔发射机的构架，即在I/Q 调制器后加上A-类，B-类，或AB 类射频功率放大器，也要尝试新的射频放大器或发射机的构架技术。

放大器中的能量传输如下图所示：

如上图1，我们将功率放大器看作是一个电子转换器。传递到负载的信号功率Pout 是从直流电源Pdc 所接收到的随输入信号功率Pin 而变化的功率。传递到功率放大器的总功率，Pdc+Pin 中的一部分被消耗了，产生了不仅由于热耗散、还有任何以谐波或互调失真形式所表现出来的输出乱真响应所引起的Pdis。由此可以得到：

这个关系式表明，任何一个放大器，即它的Pdc 必须为有限值的功率放大器在高于某些输入信号摆幅（signal excursion）的情况下，必定要显示出非线性特征（增益压缩）。事实上，由于Pdis 永远不会是负数，因此，对于任意升高的Pin，G 不可能保持恒定，因此，Pout 与Pin不再是线性关系。

对于PAPR（包络峰均比）逐渐升高的现代无线信号来说，峰值效率到平均效率的劣化明显地变得更加糟糕，比如WCDMA中信号的峰均比可能就会达到10dB之多。由于A 类，B 类和AB 类设计很容易受到严格的线性度-效率之间矛盾关系的影响，这便促使人们对大量的就改善这个矛盾的技术进行研究。其中一些技术，如传统的功率回退技术、预失真技术、前馈技术或反馈线性化电路便是专门设计来改善线性度的。其它技术，如LINC或Doherty技术的目的是提高平均效率。