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射频功率放大器的基本概念

射频功率放大器(RF PA)是传输系统的主要组成部分，其重要性不言而喻。在发射机的前端电路中，调制振荡电路产生的射频信号功率非常低，需要经过一系列放大(缓冲级、中间放大级和最终功率放大级)才能获得足够的射频功率，然后馈入天线进行辐射。为了获得足够的射频输出功率，必须使用射频功率放大器。调制器产生射频信号后，射频调制信号由射频功率放大器放大到足够的功率，然后由天线通过匹配网络传输。

放大器的作用是放大输入内容并输出。输入输出的内容，我们称之为“信号”，往往表示为电压或功率。对于放大器这种“系统”来说，它的“贡献”就是把它“吸收”的东西提升到一定水平，再“输出”给外界。如果放大器性能好，可以贡献更多，显示出自己的“价值”。如果功放出现了一些问题，在开始工作或者工作一段时间后不会提供任何“贡献”，但可能会出现一些意想不到的“冲击”，对外界和功放本身都是灾难性的。

射频功率放大器的主要技术指标是输出功率和效率。如何提高输出功率和效率是射频功率放大器设计目标的核心。通常，在射频功率放大器中，可以利用LC谐振电路选择基频或某一谐波，实现无失真放大。此外，输出中的谐波分量应尽可能小，以避免对其他通道的干扰。

分类

根据不同的工作条件，功率放大器分为:

传统的线性功率放大器工作频率高，但相对频带窄。射频功率放大器一般采用选频网络作为负载回路。根据不同的电流导通角，射频功率放大器可以分为三种工作状态:A、B、C..A类放大器的导通角为360°，适合小信号、低功率放大。B类放大器导通角等于180°，C类放大器小于180°。B类和C类都适用于大功率工况，C类的输出功率和效率是三种工况中最高的。大部分射频功率放大器工作在C类，但C类放大器的电流波形失真过大，只能用于以调谐回路为负载的谐振功率放大。由于调谐回路的滤波能力，回路电流和电压仍然接近正弦波形，失真很小。

开关模式PA，SMPA)使电子设备工作在开关状态。D类放大器和E类放大器比较常见，D类放大器的效率高于C类放大器。SMPA驱动有源晶体管切换模式。晶体管的工作状态不是开就是关。电压和电流时域波形之间没有重叠，因此DC功耗为零，理想效率可以达到100%。

传统的线性功率放大器增益高，线性度高，但效率低，而开关功率放大器效率高，输出功率高，但线性度差。详见下表:

电路组成

放大器有不同的类型。为了简化，放大电路可以由以下几个部分组成:晶体管、偏置和稳定电路以及输入输出匹配电路。

1-1，晶体管

晶体管种类繁多，包括目前发明的多种晶体管。本质上，晶体管作为受控电流源或电压源工作，其工作机制是将没有内容的DC能量转换成“有用”输出。DC能量从外部获得，被晶体管消耗并转化为有用的成分。不同的晶体管有不同的“能力”，比如它们承受功率的能力，这也是由于它们获得DC能量的能力不同；比如它的响应速度不同，决定了它可以工作的频段有多宽多高；比如它面对输入输出端的阻抗不同，对外反应能力不同，决定了匹配的难度。

1-2.偏置电路和稳定电路

偏置电路和稳定电路是两种不同的电路，但往往难以区分，设计目标相同，可以放在一起讨论。

晶体管的工作需要在一定的偏置条件下，我们称之为静态工作点。这是晶体管的基础，也是晶体管自身的“定位”。每个晶体管对自己都有一定的定位，不同的定位会决定自己的工作模式，不同的定位有不同的表现。部分定位点波动小，适合小信号操作；部分定位点波动较大，适合大功率输出；有些定位点要求少，纯粹释放，适合低噪音工作；在某些固定点上，晶体管总是徘徊在饱和和截止之间，处于开关状态。合适的偏移点是正常运行的基础。在设计宽带功率放大器时，或者工作频率较高时，偏置电路对电路性能的影响很大，因此偏置电路应该被认为是匹配电路的一部分。

有两种类型的偏置网络，无源网络和有源网络。无源网络(即自偏置网络)通常由电阻网络组成，为晶体管提供合适的工作电压和电流。其主要缺点是对晶体管参数的变化非常敏感，温度稳定性差。有源偏置网络可以提高静态工作点的稳定性和良好的温度稳定性，但也存在电路尺寸增大、电路布局难度增大、功耗增加等问题。

稳定电路必须在匹配电路之前，因为晶体管需要作为自身的一部分存在，然后与外界接触。对外界来说，带稳定电路的晶体管是“全新”的晶体管。它做出了一定的“牺牲”，获得了稳定。稳定电路的机制可以保证晶体管平稳运行。

1-3.输入/输出匹配电路

匹配电路的目的是选择一种可以接受的方式。对于那些想要提供更大增益的晶体管，方法是接受并输出它们。这意味着通过匹配电路的接口，不同晶体管之间的通信更加顺畅。对于不同的放大器类型，匹配电路不仅仅是一种“完全接受”的设计方法。一些DC小、基础浅的小管道，验收时更愿意封堵，以获得更好的噪声性能。但是，他们不能阻挡太多，否则他们的贡献会受到影响。对于一些巨型功率管，输出时需要谨慎，因为比较不稳定，同时一定的预留有助于发挥更多“不失真”的能量。

典型的阻抗匹配网络包括L匹配、π匹配和T匹配。l匹配，特点是结构简单，只有l和c两个自由度，一旦确定了阻抗变换比和谐振频率，网络的Q值(带宽)也就确定了。π形匹配网络的一个优点是，无论连接到其上的寄生电容是什么，它都可以被吸入网络，这导致了π形匹配网络的广泛应用，因为在许多实际情况下，占主导地位的寄生元件是电容。T型匹配，当电源和负载的寄生参数以电感为主时，可以利用T型匹配将这些寄生参数吸收到网络中。

确保射频功率放大器稳定性的实施

每个晶体管都有潜在的不稳定性。一个好的稳定电路可以和晶体管集成在一起，形成一种“可持续运行”的模式。稳定电路的实现可以分为窄带和宽带两种。

窄带稳定电路消耗一定增益。这种稳定电路是通过增加一定的消耗电路和选择电路来实现的。这个电路使晶体管只在很小的频率范围内起作用。另一个宽带稳定是引入负反馈。这个电路可以在很宽的范围内工作。

不稳定的根源是正反馈，窄带稳定的思路是遏制一部分正反馈，也抑制了贡献。但是，如果负反馈做得好，还有很多额外的可喜优势。比如负反馈可能会使晶体管无法匹配，这样就可以在不匹配的情况下很好地与外界接触。此外，负反馈的引入将改善晶体管的线性性能。

射频功率放大器的效率提升技术

晶体管的效率有一个理论极限。该限值随偏置点(静态工作点)的选择而变化。另外，如果外围电路设计不好，效率会大大降低。目前工程师提高效率的途径不多。这里只有两种:包络跟踪技术和多尔蒂技术。

包络跟踪技术的本质是将输入分成相位和包络两种类型，然后通过不同的放大电路进行放大。这样，两个放大器就可以专注于各自的部分，它们之间的合作就可以达到更高效率利用的目的。

多赫蒂技术的本质是使用两个同类的晶体管，只有一个在输入很小时工作在高效率状态。如果输入增加，两个晶体管同时工作。这种方法的实现是基于两个晶体管之间的默契配合。一个晶体管的工作状态直接决定了另一个晶体管的工作效率。

射频功率放大器的测试挑战

功率放大器是无线通信系统中非常重要的组件，但它是非线性的，会导致频谱扩散和干扰相邻信道，并可能违反法律法规规定的带外发射标准。这种特性甚至可能导致带内失真，从而增加误码率(BER)并降低数据传输速率。

在峰值平均功率比(PAPR)下，新的正交频分复用传输格式会有更多的偶然峰值功率，这使得功率放大器难以分割。这将减少频谱屏蔽的一致性，放大整个波形的EVM，并增加误码率。为了解决这个问题，设计工程师通常会故意降低PA的工作功率。不幸的是，这是一个非常低效的方法，因为功率放大器降低了10%的运行功率，损失了90%的DC功率。

现在大部分射频PA支持多种模式、频段、调制方式，使得测试项目更多。成千上万的测试项目不再是不寻常的。波峰因数降低(CFR)、数字预失真(DPD)和包络跟踪(ET)等新技术的应用有助于优化功放性能和功率效率，但这些技术只会使测试更加复杂，大大延长设计和测试时间。增加射频功率放大器的带宽将使DPD测量所需的带宽增加5倍(可能超过1 GHz)，这将进一步增加测试的复杂性。

根据趋势，为了提高效率，射频功率放大器组件和前端模块(FEM)将更紧密地集成在一起，而单个FEM将支持更宽范围的频带和调制模式。将包络跟踪电源或调制器集成到FEM中可以有效降低移动设备内的整体空需求。为了支持更大的工作频率范围，大量的滤波器/双工器插槽会增加移动设备的复杂性和测试项目的数量。

半导体材料的变化；

Ge(锗)、Si(硅)→→ →→→GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)→→SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)、SiGe(硅锗)、SOI(绝缘体上硅)→→碳纳米管(CNT) →→石墨烯。

目前，功率放大器的主流工艺仍然是GaAs工艺。此外，GaAs HBT，GaAs异质结双极晶体管。其中，HBT(异质结双极晶体管)是由GaAs层和铝镓砷层组成的双极晶体管。

虽然CMOS技术已经成熟，但是硅CMOS功率放大器的应用并不广泛。在成本上，CMOS硅片相对便宜，但CMOS功放的版图面积相对较大，CMOS PA的研发成本相对较高，使得CMOS功放的整体成本优势不太明显。在性能方面，CMOS功率放大器线性度、输出功率、效率等性能较差，CMOS工艺固有的缺点包括拐点电压较高、击穿电压较低、CMOS工艺衬底电阻率较低。

碳纳米管因其物理尺寸小、电子迁移率高、电流密度高和本征电容低而被认为是纳米电子器件的理想材料。

石墨烯是一种零带隙半导体材料，由于其高电子迁移率、纳米物理尺寸、优异的电学和力学性能，将成为下一代射频芯片的热门材料。

射频功率放大器的线性化技术

射频功率放大器的非线性失真会产生新的频率成分，如二阶失真的二次谐波和双音拍频，三阶失真的三次谐波和多音拍频。如果这些新的频率成分落在通带内，就会对发射信号造成直接干扰，如果落在通带外，就会干扰其他信道的信号。因此，我们应该对射频功率放大器进行线性化，这样可以更好地解决信号频谱再生的问题。

射频功率放大器基本线性化技术的原理和方法无非是以输入射频信号包络的幅度和相位为基准，与输出信号进行比较，然后产生适当的校正。目前，功率放大器的线性化技术已经被提出并广泛应用，包括功率补偿、负反馈、前馈、预失真、包络消除和恢复(EER)以及使用非线性元件的线性放大(LINC)。前馈、预失真、包络消除和恢复等更复杂的线性化技术使用非线性元件进行线性放大，可以更好地提高放大器的线性度。然而，简单的线性化技术，如功率补偿和负反馈，对线性度的改善有限。

2-1.电源回退

这是最常用的方法，即选择功率较高的管作为小功率管，实际上是牺牲DC功耗来提高功率放大器的线性度。

功率退避法是将功率放大器的输入功率从1dB压缩(放大器具有线性动态范围，其中放大器的输出功率随输入功率线性增加。随着输入功率的不断增加，放大器逐渐进入饱和区，功率增益开始下降。通常将增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点，用P1dB表示。后退6-10分贝，工作在远小于1dB压缩点的水平，使功率放大器远离饱和区，进入线性工作区，从而提高功率放大器的三阶互调系数。一般当基波功率降低1dB时，三阶互调失真提高2dB。

断电方法简单易行，不需要增加任何附加设备。这是提高放大器线性度的有效方法，但其缺点是效率大大降低。另外，当功率回退到一定程度，三阶互调达到-50dBc以下时，如果功率持续回退，放大器的线性度将不再提高。因此，当线性度要求很高时，仅依靠电源来后退是不够的。

2-2.预失真

预失真是在功率放大器前增加一个非线性电路，补偿功率放大器的非线性失真。

预失真线性化技术的优点是不存在稳定性问题，信号频带更宽，可以处理多载波信号。预失真技术成本低。几个精心选择的组件被封装到单个模块中，该模块连接在信号源和功率放大器之间，以形成预失真线性功率放大器。手持移动台的功放采用了预失真技术，只用很少的元件就将互调产物降低了几dB，但这是几dB的关键。

预失真技术分为两种基本类型:射频预失真和数字基带预失真。射频预失真一般采用模拟电路实现，具有电路结构简单、成本低廉、易于高频宽带应用等优点。，但缺点是光谱再生分量改善较少，高阶光谱分量更难抵消。

数字基带预失真由于工作频率低，可以用数字电路实现，适应性强，可以通过提高采样频率和量化阶数来抵消高阶互调失真。这是一个很有前途的方法。该预失真器由矢量增益调节器组成，它根据查找表(LUT)的内容控制输入信号的幅度和相位，预失真由LUT的输入控制。一旦矢量增益调节器被优化，它将提供与功率放大器相反的非线性特性。理想情况下，输出互调产物应与功率放大器输出的双音信号幅度相等，相位相反，即自适应调整模块应调整查找表的输入，以使功率放大器的输入信号和输出信号之间的差异最小。注意，输入信号的包络也是查找表的输入。反馈路径对功率放大器的失真输出进行采样，然后通过A/D转换发送给自适应DSP，从而更新查找表。

2-3，前馈

前馈技术起源于“反馈”。应该说不是新技术，早在20世纪二三十年代贝尔实验室就提出来了。除了将校准(反馈)添加到输出中，概念完全是“反馈”。

前馈线性放大器由耦合器、衰减器、合成器、延迟线和功率分配器组成两个环路。射频信号输入后，由功分器分成两路。一直到主功率放大器，由于其非线性失真，输出除了需要放大的主频信号外，还有三阶互调干扰。部分信号从主功率放大器的输出耦合，放大器的主载频信号通过环路1抵消，只剩下反相的三阶互调分量。三阶互调分量被辅助放大器放大后，由主放大器非线性产生的互调分量被环路2抵消，从而提高了功率放大器的线性度。

前馈技术不仅具有精度高的优点，而且没有不稳定和带宽有限的缺点。当然，这些优势换来的是高成本。由于输出校准中的功率电平较大，需要将校准信号放大到较高的功率电平，这就需要增加一个辅助放大器，并且要求辅助放大器的失真特性要高于前馈系统的指标。

前馈功率放大器对抵消的要求很高，要求幅度、相位、延时匹配。如果有电源变化，温度变化，器件老化，会造成注销失败。因此，系统中考虑了自适应抵消技术，使抵消能够跟上内外环境的变化。

射频功率放大器产业链

第一，5G智能移动终端，射频PA的大机遇

1.射频设备的皇冠上的宝石

射频功率放大器(PA)作为射频前端传输通道的主要器件，主要用于放大调制振荡电路产生的低功率射频信号，获得足够的射频输出功率，馈入天线进行辐射，通常用于放大传输通道的射频信号。

手机射频前端:任何一款智能手机一旦接入移动网络，就可以轻松刷朋友圈、看高清视频、下载图片、网上购物，这完全是因为射频前端的演进。每一个手机网络标准(2G/3G/4G/WiFi/GPS)都需要自己的射频前端模块来充当手机与外界的桥梁——手机的功能越多，它的价值就越大。

射频前端模块是移动终端通信系统的核心部件，对它的理解可以从两个方面来考虑:一是必要性，它是通信收发机和天线连接的唯一途径；第二是重要性。其性能直接决定了移动终端能够支持的通信模式，以及接收信号强度、通话稳定性、发射功率等重要性能指标，直接影响终端用户体验。

射频前端芯片包括功率放大器、天线开关、滤波器、双工器和双工器以及低噪声放大器(LNA)等。，在多模/多频终端中起着核心作用。

射频前端行业最大的市场是滤波器，将从2017年的80亿美元增长到2023年的225亿美元，复合年增长率为19%。这种增加主要是由于BAW滤波器的穿透率显著提高，以及5G NR定义的UHF频段、WiFi分集天线共享等典型应用。

功放市场增长相对平稳，复合年增长率为7%，从2017年的50亿美元增长到2023年的70亿美元。高端LTE功放市场的增长，尤其是高频和超高频，将弥补2G/3G市场的萎缩。

2.5G推动手机射频PA体积和价格的增长

射频前端和智能终端一起进化。4G时代，智能手机普遍采用1发2收的架构。随着5G新增频段(n41 2.6GHz，n77 3.5GHz，n79 4.8GHz)，5G手机的射频前端将会有新的变化。考虑到5G手机将继续兼容4G、3G、2G标准，5G手机的射频前端将极其复杂。

预计5G时代，智能手机将采用2发4收的方案。

无论是在基站还是在设备终端，5G给供应商带来的挑战首先体现在射频上，因为这是设备“上”网的关键出入口，即将到来的5G手机将面临诸多挑战:

支持更多频段:因为熟悉的b41改为n41、n77、n78，所以需要支持更多频段；

调制方向不同:5G既然专注于高速连接，那么调制会有新的变化，对功耗的要求也会更高。比如4G时代，人们更关注ACPR。但5G时代，更需要重点关注EVM(一般不到1.5%)；

信号路由选择:选择4G锚+5G数据连接或者直接去5G，会带来不同的挑战。

切换速度的变化:虽然这方面变化不大，但SRS也会带来新的挑战。

其他新频段的引入，如n77/n78/n79，也会对射频前端外形产生影响，推动前端模块的变化，以满足新频段和新调谐方式的要求。

5G手机功放(PA)的使用量翻了一番:PA是一部手机最关键的器件之一，直接决定着手机无线通信的距离、信号质量甚至待机时间，是整个射频系统除基带外最重要的部分。手机中PA的数量随着2G、3G、4G、5G逐渐增加。以PA模块为例，4G多模多频手机需要5-7个PA芯片，预计5G手机将多达16个PA芯片。

5G手机功放(PA)单机价值预计达到7.5美元。与此同时，PA的单价也大幅上涨。2G手机的PA平均单价为0.3美元，3G手机的PA平均单价升至1.25美元，而全模式4G手机的PA消费高达3.25美元。预计5G手机PA的价值将达到7.5美元以上。

3.GaAs射频设备仍将主导手机市场

5G时代，GaAs材料适合移动终端。GaAs材料具有硅的六倍电子迁移率和直接带隙，因此其器件具有比硅器件更高的频率和高速性能，是公认的非常适合通信的半导体材料。在手机无线通信的应用中，大部分射频功率放大器都是GaAs制造的。在GSM通信中，Rideco、瀚天夏等国内芯片设计公司凭借射频CMOS工艺的高集成度、低成本优势，打破了国际领先厂商使用传统GaAs工艺完全主导射频功率放大器的格局。

但在4G时代，射频CMOS由于Si材料的高频损耗、高噪声、低输出功率密度等缺点已经不能满足要求，手机射频功率放大器又回到了GaAs工艺完全主导的时代。与射频功率放大器器件对GaAs材料的依赖不同，90%的射频开关已经从传统的GaAs工艺转变为绝缘体上硅工艺，大多数射频收发器也采用了射频CMOS工艺，从而满足了日益增长的集成要求。

5G时代，GaN材料适合做基站。在宏基站的应用中，氮化镓材料正以高频、高输出功率的优势逐渐取代硅氧化物；在微基站中，GaAs PA仍将是未来的主要器件，因为它具有目前市场验证的可靠性和高性价比的优势，但随着器件成本的降低和技术的提高，GaN PA有望在微基站中得到应用。在移动终端方面，由于成本高、供电电压高，GAPA无法在短时间内撼动GaAs PA的主导地位。

二是5G基站，PA提高了好几倍，GaN潜力很大

1.5G基站，对射频功放的需求大幅增加

5G基站中的PAs数量预计将增加16倍。4G基站采用4T4R方案。根据三个部门，相应的公共行政需求是12。对于5G基站，预计64T64R将成为主流方案，相应的PA需求高达192，PA数量将大幅增加。

5G基站的射频PA，预计销量和价格都会上涨。目前基站使用的功率放大器主要是硅基横向扩散金属氧化物半导体LDMOS技术，而LDMOS技术只适用于低频带，在高频应用中有局限性。对5G基站PA的一些要求可能包括3-6 GHz和24-40 GHz的工作频率，射频功率在0.2w-30w之间，GaN射频PA将逐渐成为主导技术，GaN的价格高于LDMOS和GaAs。

氮化镓具有优异的高功率密度和高频特性。提高功率放大器的射频功率最简单的方法是提高电压，这使得氮化镓晶体管技术具有吸引力。如果我们比较不同的半导体技术，我们会发现功率通常是如何随着高工作电压IC技术而增加的。

GaN射频器件的典型加工工艺主要包括以下几个环节:外延生长-器件隔离-欧姆接触(制作源漏)-氮化物钝化-栅极制作-场板制作-衬底减薄-衬底通孔等等。

氮化镓射频器件加工技术

2.GaN射频PA有望成为5G基站的主流技术

预计未来大部分6GHz以下的宏网络单元都将使用GaN器件，小基站中GaAs的优势更加明显。就电信市场而言，由于5G网络的应用即将到来，从2019年开始，将为GaN设备带来巨大的市场机遇。与现有的硅LDMOS(横向双扩散金属氧化物半导体技术)和GaAs(砷化镓)解决方案相比，氮化镓器件可以提供下一代高频电信网络所需的功率和效率。而且GaN的宽带性能也是实现多频段载波聚合等重要新技术的关键因素之一。氮化镓HEMT(高电子迁移率场效应晶体管)已成为未来宏基站功率放大器的候选技术。

因为低密度聚氧乙烯不再支持更高的频率，GaAs不再是高功率应用的最佳解决方案。预计未来大部分6GHz以下的宏网络单元应用将采用GaN器件。5G网络采用的频段更高，渗透率和覆盖面会比4G差，因此小小区在5G网络建设中会发挥重要作用。然而，由于小型基站不需要如此高的功率，GaAs和其他现有技术仍然有其优势。同时，由于更高的频率降低了每个基站的覆盖范围，所以需要应用更多的晶体管，预计市场出货量的增长率将会加快。

2015-2025年基站主要趋势

3.全球氮化镓射频器件产业链竞争格局

氮化镓微波射频器件的发射速度明显加快。虽然微波射频领域目前备受关注，但由于技术水平高，专利壁垒过多，与电力电子和光电子领域相比，该领域的公司并不多，但大多具有较强的科研实力和市场运营能力。氮化镓微波射频器件的商业供应发展迅速。根据Mouser数据统计分析，截至2018年4月，4家厂商共推出150大类GaN HEMT，占整个RF晶体管供应品类的9.9%，比1月份高0.6%。

Qorvo产品的工作频率范围最大，Skyworks产品的工作频率范围较小。Qorvo、CREE、Macom 73%的输出功率集中在10w-100 W之间，最大功率达到1500W(工作频率1.0-1.1GHz，Qorvo生产)，采用的技术主要是GaN/SiC GaN路线。此外，部分企业提供GaN射频模块产品，目前有4家企业提供GaN射频放大器对外销售，其中Qorvo产品工作频率范围最大，最大工作频率可达31GHz。Skyworks产品的工作频率比较低，主要在0.05-1.218GHz之间。

Qorvo射频放大器的产品种类最多。在中国工信部公布的两个5G工作频段(3.3-3.6GHz，4.8-5GHz)中，Qorvo推出的射频放大器产品类别最多，最高功率分别为100W和80w(Qorvo产品1月份在4.8-5GHz的最高功率为60W)，ADI产品在4.8-5GHz的最高功率提高到50W(之前产品的最高功率)