現代RF放大器既需要線性也需要高效率。線性要求是源于現代調制方法的使用，如QAM（正交幅度調制）和OFDM（正交頻分多址調制，參考文獻1）。這些放大器還需要效率，以降低功耗和減少散熱。開發(fā)人員通常將現代RF放大器組件裝在天線桿內。這些“桿頂”放大器的設計中，外殼可以不含風扇且直接暴露在日光下。在功耗上每節(jié)省1W，就意味著少了1W的散熱器散熱需求。另外，對放大器過驅動會導致失真，產生諧波尖刺，使解調無法進行。這些尖刺會落入鄰近的頻段，也許是手機公司并不擁有的頻段。FCC（聯(lián)邦通信委員會）對這種ACLR（鄰道泄漏比）有嚴格的限制。
所以，你有兩個理由去實現良好的線性度：這樣才能精確地調制信號，這樣你的信號才不會干擾鄰近的信號。同樣重要的是，你能在輸出級獲得最佳的功率效率。問題是，線性與效率是互斥的。
在頻域和時域中都可以查看RF放大器的失真。在時域中，能夠形象地看到一個通過RF放大器的切角或平頂正弦波，如同驅動過度而靠近電壓軌的音頻信號一樣（圖1）。在頻域中，放大器失真表現為包含諧波的“邊緣”，它進入了鄰近頻段范圍內（圖2）。對于任何放大器，希望的功率越高，則得到的失真就越嚴重。在RF頻率下，不僅有幅度失真，還有相位失真，以及由于熱瞬變和電記憶效應所帶來的失真（圖3）。相位失真出現于快速轉換速率區(qū)中，RF輸出滯后于輸入信號的情況，如當載波信號進入大地時，或當一個調制包絡必須立即變到一個不同電平時。
為了在一個確定帶寬內裝入更多信息，現代調制技術依賴于準確接收的RF信號包絡。有了準確的電壓與相位，就可以解碼出代表某個數字碼的點的星座。這個碼產生出一個數字數據流，然后進一步解碼成一個基帶語音或數據信號。
較老的調制方法對放大器的線性比較不敏感。AM（調幅）收音機與模擬電視廣播都使用AM方式，它依賴的是RF信號的峰值。任何失真對所有峰值都有相同影響，而對所有接收信號的質量影響不大。FM（調頻）收音機與模擬電視的音頻信號采用的是FM方式，它取決于波形的零交越。因此任何幅度非線性都沒有影響。相位失真對零交越有影響，但它們是均勻的效果，不會影響FM調制。
提高RF放大器線性有多種技術。首先，可以采用更好的晶體管。于是，制造商會在RF晶體管生產中采用GaAs（砷化鎵）和其它III-V族半導體工藝，即至少一個III族元素和至少一個V族元素組成的化學化合物。另外，還可以嘗試用SiGe（硅鍺）晶體管，也許再加上CMOS工藝（參考文獻2）。雖然SiGe比GaAs慢，噪聲也大，但通常也夠用了，尤其是在低于3 GHz的頻率下。工程師面臨著在RF放大器中采用CMOS的壓力，因為它的成本低，但CMOS的工作電壓低，因此難以在功率放大器中實現。CMOS還有高的噪聲系數，降低方法是增加晶體管結構的尺寸，但這種辦法也增加了雜散電容，降低了產品的工作頻率。RFMD和其它公司提供藍寶石上做的CMOS，所有晶體管下面都有一個介電隔離層（參考文獻3）。這種方法有成本優(yōu)勢，減少了雜散電容。
受市場驅動的現實是，工程師們可以用CMOS制造用于Wi-Fi熱點應用的小功率RF放大器。手機需要更特殊的工藝，如SOI（絕緣硅），GaAs將在近期手機基站上占支配地位。
一旦你的功率放大器有了線性良好的晶體管技術，接下來要關注放大器的架構。你可以從一種間斷驅動的架構（如Class C型）轉換到一種更連續(xù)的類型，如Class AB型。Class C的效率高，因為它用一只晶體管驅動一個儲能電路，產生出供發(fā)射的RF正弦波。但遺憾的是，Class C放大器不適應現代的線性需求，尤其是基站。獲得良好線性的一種方式是減少對放大器的驅動，這樣晶體管就不會接近飽和，輸出電壓擺幅就完全處于電源軌的范圍內。不幸的是，這種方案的效率最差。
為解決這個問題，可以嘗試采用一種Doherty放大器，它是一種復合型設備，使用了一個主通道和一個輔助RF通道，可以在信號強度低時節(jié)省功耗，而當需要較高功率時，仍能適應較大的信號擺幅（圖4）。Doherty放大器架構運行很好，但它增加了理想的簡單放大器級的器件數和復雜性。
如果為了獲得效率而要將RF放大器置于飽和狀態(tài)，則可以嘗試用正反饋技術使之線性化。十多年來，RF設計者已成功地將這些技術用于手機基站。現在的問題是，用于4G（第四代）LTE（長期演進）的新調制方法有更高的要求。為了獲得更高的帶寬效率（以每赫茲比特度量），即便對最好的放大器，這些新的調制方法也提出了困難的線性要求。
這種狀況促使工程師們采用預失真（predistortion）技術對RF功率放大器做線性化（參考文獻4）。由于這類技術要對天線饋送的輸出做采樣，并送回輸入端，它看起來類似于所有模擬工程師都熟知的反饋技術。但是，預失真并不會給 一個誤差放大器提供反饋信號，因為RF信號速度太快，無法將一個真正的載波頻率信號回送給誤差放大器。預失真采用的是一些算法，它們可精確預測放大器各種工作條件下的效應，從而調節(jié)輸入信號，使之通過RF功放時有更好的線性。
可以設想一下算法的基礎功能。對一個擺幅大到接近電源軌的正弦載波，所有RF放大器都會將其抹平。因此，預失真算法會使這些較大幅度的正弦波有更尖銳的波峰。這樣，就可以從放大器獲得一個較純凈的正弦波。在時域中很容易看到這種情況。而在頻域中，可以將預失真想象成增加某種相位角的諧波成分，它抑制掉非線性RF功放所產生的尖刺。當為一個預失真電路通電時，就可以看到鄰道尖刺的幅度大大減小。
通過一個類似想法的實驗，也可以看到預失真算法如何補償一個放大器的相位誤差。由于相位誤差是可預測和可重復的，算法就可以修改輸入波形的時序，以去除任何放大器的滯后。在時域中，可以想象成算法在快速轉換速率期間超前于信號，使得放大器最終輸出一個干凈的正弦波。在頻域中，鄰道尖刺也達到了可以接受的水平。
現在的預失真算法已足夠完備，甚至可以消除熱效應帶來的失真。高低溫對功率晶體管造成的失真是不同的。可以開發(fā)出一種算法，預測輸出晶體管的功耗。從這個預測中，可以推斷出晶體管的溫度，然后對輸入作適當調節(jié)，從而使輸出保持為線性。這個算法必須考慮到所用散熱器以及周圍環(huán)境的熱時間常數。
數字預失真還是模擬預失真？
過去幾年來，手機基站制造商已接受了用數字預失真做放大器線性化的方法（圖5與參考文獻5）。此時，要用一個單向耦合器對RF輸出做采樣。可以用一個混頻器，將千兆赫水平的信號下變頻到一個較低頻率。然后就可以用一個快速ADC對波形采樣。這些采樣被送至一片運行預失真算法的FPGA，用于修正輸入波形，還給出一個數字的數據流。然后，FPGA輸出RF基帶信號或I（索引）和Q（正交）信號，再上變頻至手機所在頻段的RF載波效率。
建立這一系統(tǒng)的方法有多種（參考文獻6）。通過采用獨立的ADC和下變頻芯片，可以針對需求優(yōu)化自己的系統(tǒng)，并使用可以從很多供應商獲得的標準化部件。例如，Hittite、Analog Devices、德州儀器公司、凌力爾特公司以及Intersil公司（參考文獻7）都制造可用于分立數字預失真電路的硅芯片。
很多工程師都熟悉Altera公司的FPGA在數字領域的使用。該公司的MegaCore IP（智能產權）可完成預失真的數字部分運算（參考文獻8）。Analog Devices公司與Altera公司合作，提供一種混合信號的數字預失真系統(tǒng)板，而德州儀器公司提供GC5325這類發(fā)射處理器器件，以降低信號波峰系數，以及抵消功放的失真（圖6）。Xilinx公司為自己的Virtex-4和Virtex-5 FPGA提供一個數字預失真的參考設計。由于手機基站承載了較多的RF通道，空間就成為了一個問題。凌力爾特公司等的解決方法是將整個數字預失真電路集成為LTM9003微模塊（圖7）。
盡管手機基站制造商接受數字系統(tǒng)，但供應商們在采樣數據系統(tǒng)中做的主要是模擬電路，這帶來了成本、功耗和空間不利因素。替代方法是用模擬技術實現RF放大器的線性。例如，新興公司Scintera Networks將目標瞄準了5W區(qū)間的小功率RF系統(tǒng)，還有UHF（超高頻）電視發(fā)射站的信號路徑（圖8）。這種方法會采樣驅動級的RF信號，使RF信號保持在模擬域中，但通過采用一種波形的Volterra Series擴展，對其作因數修正。Volterra Series是一種非線性性能的模型，類似于Taylor Series，不過Volterra Series可以表達記憶效應。Scintera公司的方案會對RF輸出作采樣和數字化，采樣結果被送入該公司芯片中的數字電路。該設計用數字段計算出RF信號鏈的模擬因數，然后用另一個單向耦合器，將經Volterra因數修正的RF信號混合回到RF路徑中。系統(tǒng)只需要在芯片中處理足夠的RF，就能校正放大器的失真。大多數RF功率都在主RF路徑內，而繞過了IC。Scintera公司將RF保持在模擬域，提供了一個功耗遠低于數字預失真方式的系統(tǒng)（圖9）。
要注意，數字預失真系統(tǒng)的設計與測試都不是簡單的任務。你需要完備的RF設計工具，如AWR公司的Microwave Office以及Agilent公司的ADS（參考文獻9）。除了用先進的測試設備確定RF路徑的特性以外，可能還需要購買和學習專用的測試設備，如一臺實時頻譜分析儀（參考文獻10）。
無論是采用模擬預失真還是數字預失真，都可以減少RF設計中的干擾，并使用先進的調制方法。最重要的是，預失真可以將RF放大器驅動至接近飽和狀態(tài)，從而提高了功率效率。你可以用分立芯片自己搭建系統(tǒng)， 也可以使用封裝內已集成所有功率的微模塊。在ADC以及下變頻IC中實現所需線性是半導體公司的一項成就。這些公司都有自己的應用專家，可以幫助你設計出RF信號路徑，滿足所有的規(guī)范要求、減少功耗，并提供每兆赫茲最大位數。
參考文獻
1. Rako, Paul, “Heads and tails: Design RF amplifiers for linearity and efficiency,” EDN, April 3, 2008, pg 31.
2. Rako, Paul, “Silicon germanium: fast, quiet, and powerful,” EDN, Sept 18, 2008, pg 27.
3. Costa, Julio, “The Power of Mobile,” SOI in Action, Advanced Substrate News, October 31, 2007.
4. Ding, Lei, “Digital Predistortion of Power Ampli?ers for Wireless Applications,” Georgia Institute of Technology, March 2004.
5. Zhou, J; S Ming; J Zhao; C Ming; and L Zhang, “An Adaptive Baseband Digital Predistortion System for an RF Power Amplifier,” Microwave Journal, Volume 50, No. 5, May 2007, pg 216.
6. Rako, Paul, “Integration in the other direction,” EDN, Jan 21, 2010, pg 24.
7. Sills, James, “Improving PA Performance with Digital Predistortion,” EETimes, Oct 2, 2002.
8. “Digital Predistortion,” Altera.
9. Mekechuk, Kelly; Wan-Jong Kim; Shawn P Stapleton; and Jong Heon Kim, “Linearizing Power Amplifiers Using Digital Predistortion, EDA Tools and Test Hardware,” High Frequency Electronics, April 2004.
10. Dasilva, Marcus, and Steve Stanton, “Boost PA Efficiency With Digital Predistortion,” Microwaves & RF, August 2007.