【学术论文】面向5G应用的毫米波CMOS射频功率放大器的研究进展
摘要
为满足未来激增的移动数据流量需求，5G通信系统将采用更复杂的非恒定包络调制方式，导致发射信号的峰均比很高，因而对毫米波射频功率放大器的性能提出了更严苛的要求。CMOS工艺兼具低成本和高集成度的优势，是实现5G射频模组全集成化的理想选择。介绍并对比了各类提升功率放大器效率和线性度的技术，重点阐述包络跟踪技术的研究现状，最后分析功率放大器在5G应用中的发展趋势。
中文引用格式： 彭林，章国豪. 面向5G应用的毫米波CMOS射频功率放大器的研究进展[J].电子技术应用，2019，45(3)：1-6，12.
英文引用格式： Peng Lin，Zhang Guohao. Research progress of millimeter wave CMOS RF power amplifier for 5G applications[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(3)：1-6，12.
0 引言
移动通信技术的革新不仅深刻改变了人们的生活方式，而且已成为推动国民经济发展、提升社会信息化水平的重要引擎。随着4G的大规模商用，其发展已进入成熟期，面向2020年及未来的第五代移动通信（5G）已成为全球研发热点。5G无线通信将开启“万物互联”时代并实现高可靠性、低时延、低功耗及数据传输速率的跨越式提升，能为用户提供更多的应用和服务体验。鉴于6 GHz以下频段的各类无线电业务已十分密集，而毫米波频谱不仅资源丰富，且能提供更大的带宽和更高的数据速率，非常契合5G通信的需求；且由IMT-2020（5G）推进组发布的5G无线技术试验进展报告中也明确了毫米波在未来5G系统中的应用[1-3]。
移动通信技术的发展依赖于集成电路工艺和器件的进步。射频功率放大器（RFPA）作为整个收发前端的核心功能模块之一，将直接影响到设备的通信质量、信号接收能力、电池续航等重要指标。采用砷化镓（GaAs）工艺的PA芯片是目前4G市场上的主流，但其成本相对较高，且不便与数字部分集成。着眼当下多代半导体材料共同发展的格局，对比Si基CMOS、BiCMOS、Bipolar、PHEMT和HBT等主流集成电路工艺，结合5G射频模组全集成化、微型化的发展趋势和大规模量产的市场需求，应用最为广泛的硅CMOS工艺凭借自身具有的低成本和高集成度优势而成为最佳选择。且其经过长期的发展，工艺成熟稳定，具有完备的产能供应链，晶体管的特征尺寸及功耗越来越小，频率上限在不断提高，因而可被应用于毫米波前端电路设计并有望实现真正意义上的SoC（System-on-Chip）[4-5]。
CMOS电路基本功能的实现源于MOS晶体管的跨导作用：利用栅极电压的场效应控制导电沟道里的载流子浓度变化实现电压到电流的转换。但跨导会随着交流信号频率的不断提升而退化，从而导致了毫米波电路较低的放大能力；且随着CMOS工艺节点不断向纳米量级深入，越来越薄的栅氧化层使得晶体管的耐压能力逐渐下滑，从而限制PA的供电电压并增加了提升输出功率来克服毫米波信号衰耗大、覆盖距离短的难度；再者，CMOS工艺下的各种损耗和寄生效应及片上无源元件（电感、变压器和传输线）的低品质因数对PA的效率和带宽也造成了一定的影响，热载流子效应的存在还将会提高晶体管的阈值电压[6-7]；此外，5G系统采用的多载波聚合技术将多个离散的频谱资源整合在一起以支持更大的传输带宽，但这会产生较高的峰均比（PAPR），迫使PA工作在功率回退区以满足严格的线性要求来减少通信过程中的误码率和寄生干扰，造成了效率低下的现象；最后，为了进一步提升频谱效率，提高5G系统容量而使用更高阶的QAM调制技术，其解调过程复杂且要求具有高信噪比（SNR），进而对PA的输出功率提出了更严苛的要求。因此，高性能的毫米波CMOS PA需要在获得足够增益和输出功率的同时尽可能地提高线性度和功率附加效率（Power Added Efficiency，PAE）并应具有多模多频能力以满足5G通信的需求[8]。
针对CMOS工艺自身存在的物理缺陷，工程上可通过一系列技术予以缓解：由于CMOS的跨导较低，毫米波PA可以采用多级级联的方式来克服单级电路在增益上的不足；应用Cascode（共源共栅）和Stack（堆叠）结构减轻晶体管击穿电压（Breakdown Voltage）的压力，提高输出电压的摆幅和末级放大器的隔离度[9-10]；并通过将多个晶体管组合成一个单元（Cell）的方式来优化版图布局以削减寄生电容的影响及所占用的面积[11]；差分结构的引入除能抑制共模信号外还可有效降低对输出晶体管最大电流的要求，从而减小输出端寄生电阻对电流的消耗以提高PAE，且该结构还能降低衬底耦合作用对其他电路的干扰；进一步地可运用巴伦（Balun）型变压器将两路差分信号合成，这样就实现了在低输出电压摆幅下使电流密度加倍，从而显著提高输出功率[12]。但上述改进所带来的性能提升有限，还需要融合更为有效的电路设计结构以全面改善RFPA系统。
1 PA效率增强技术
为实现5G时代的高速信号传输，通信调制方式将愈发高效，信号的峰均比也相应提高，致使PA的效率发生显著的下滑；而且手持移动终端往往需要多个独立的PA以满足其在全频段内的正常工作。因此作为射频发射机中耗能最多的核心组件，PA效率的高低影响着设备的续航时间及用户体验，解决的方法主要有两类：
(1)运用有源负载调制的Doherty和Outphasing技术等。在该类模式下，PA的负载阻抗可以随着输出功率大小动态变化，从而确保了PA在回退区也能达到高效率；
(2)运用动态电源调制的EER(Envelope Elimination and Restoration)和ET(Envelope Tracking)技术等。该类的核心思想是根据输入射频信号的包络幅值来动态调整PA漏端的供电电压，使得PA始终工作在饱和高效率状态，如图1所示[13]。
Doherty架构由于没有非线性的信号处理过程，信号带宽将维持不变，如图2所示。其最大的特点是利用效率曲线的6 dB回退来提高效率，但面对高PAPR信号时，需要结合预失真、前馈等线性化技术才有比较好的效果；此外复杂的输出匹配网络和1/4波长传输线的应用不仅增加了损耗还占据较大的芯片面积，因而对Doherty技术的应用造成了一定的限制[14]。
Outphasing技术将输入分离得到的两路恒包络相位调制信号分别通过工作在饱和区的高效率分支PA，最后在输出端合成为线性放大的信号，如图3所示[15]。由于实际物理器件的非理想特性及其严格要求两路PA的匹配度，导致Outphasing系统的适应性差而很少应用于工程设计。
EER结构如图4所示，由包络检波器分离输入信号而得到的幅度信息经过电源调制器后通过控制PA的漏极电压进行幅相合成；恒包络相位信号则可以采用高效率的开关模式PA进行放大，这使得整体效率得以提升。但当处理高PAPR信号时，EER系统中的限幅器难以再为开关PA提供有效的恒包络信号而影响整体的线性度，且幅相分离会导致剧烈的带宽扩展；EER对于幅度和相位路径的时延一致性要求十分苛刻，这给设计带来严重的阻碍[15]。
而ET技术则直接将输入信号送进线性PA，电源调制器只影响PA的效率和输出信号的线性度，结构如图5所示。因此，ET技术对于幅度、射频支路的时间对齐要求和PA的带宽需求都将大幅降低；相比有源负载调制类技术，ET架构对效率提高的过程与PA的射频端口匹配无关，且其在功率回退范围内的效率提升突出，功率损耗小，并凭借高度的灵活性而适用于多模多频的通信方式[16]。
表1归纳总结了上述四种主流PA回退效率提升技术的性能对比情况。综合来看，ET技术在5G移动终端的应用前景更为乐观，因此本节重点对其的研究状况展开论述。
ET PA系统的整体效率及线性度在很大程度上依赖于电源调制器（包络放大器）的性能，因而其是设计的难点和研究热点。包络信号的带宽一般为调制信号的3～4倍，具有更宽带宽的高PAPR包络信号将会显著降低包络放大器的效率，如果没有被正确放大，还可能会在RF输出中引入额外的失真[17]。目前有两种解决途径：一是设计出高效宽带的包络放大器；另一种是通过基带信号处理的方法，在不影响整体效率的前提下，降低包络信号的带宽，如压摆率限制（Slew-Rate Limited）法，其通过调节因子N得到不同的输出包络，在时域上能很好地跟踪信号，但高频部分没有得到较好的抑制，该算法复杂度适中且易于实现[18]。
传统的包络放大器结构多以开关电源拓扑为基础，常用Buck型开关DC/DC变换器实现，信号包络经过Δ-Σ或PWM调制后由输出晶体管放大，再通过滤波网络进行还原；但Buck变换器的带宽严重受限，其效率随着开关频率上升而显著下降[19]。目前主流结构是采用由宽带线性放大器和高效开关变换器并联构成的混合型电源调制模块，其能在不增加开关频率的情况下进行更精确的跟踪，结构相对简单、易于集成，可实现效率和带宽的良好折中，融入Buck变换器后还能实现包络信号的自适应压摆率控制[20]；但因为相对低效的线性PA提供了大部分的电流，故对于LTE等宽带信号的处理，这类方案所能达到的效率基本限制在70%以内。对此，可以加入反馈环路予以改善，典型的电流检测技术是在线性PA的输出端串联一个小的电阻，并测量其上的电压降，该法虽然准确，但因其会带来较大的损耗而不适合高电流应用；另一种是检测输出级的输入端电压并将其直接转换为开关变换器的控制信号[21]。然而，电流检测控制环路所引入的额外延迟将不可避免导致效率的降低，且PA负载的非线性特性会使得极零点相消失效并由此可能引发不稳定现象。ET PA的一个关键是在最大平均功率下提高效率，但在回退区时，由于电源电压较大将致使线性PA的效率迅速走低。文献[16]给出的方案是根据包络信号的平均功率来调整线性级的供电大小，再设计一个独立于电源的推挽AB类输出级以避免交越失真，使用多级供电的方式去逼近包络信号曲线，如图6所示，并根据功率回退的大小调整线性放大器和开关变换器的电流比，从而使系统在低功率区域的效率得到改善并同时减少了开关损耗，提高了包络放大器的带宽。
为能更好地实现宽带宽、低纹波和高效率的理想组合，文献[22]提出了一种基于原混合型包络放大器改进的双开关构思，其通过一定的逻辑控制，使额外并联的开关变换器能够补偿原开关级不能提供的高频电流，并且第二级开关用VDD/2供电，使得纹波电流减半从而大大减少了线性级的工作量，最终在20 MHz信号测试中得到83%的平均效率。
为保证系统的高效工作，需要在低频包络和RF信号路径间进行时间对齐，否则会产生带外失真，致使PA无法满足输出频谱掩模板（Spectral Mask）的要求，因此可采用反馈接收器来校正延迟失配[13]；此外，包络信号需要进行整形处理后才能作为漏极偏压对PA供电，其还应跟随IMD3的最佳点来减少非线性失真，包络的最小值应略大于Knee电压。而对于CMOS工艺，PA设计中广泛采用的Cascode结构会导致Knee电压的增加，从而引起共源管在固定的栅极偏置及低电源电压供给的情况下，进入线性工作区，由此会产生较大的增益偏差，降低系统的线性度、输出动态范围和功率附加效率[23]。此时包络放大器可应用直流偏移（DC Shifting）和包络衰减（Envelope Scaling）相结合的方法对所增加的Knee电压提供额外的补偿并能避免峰值削波[24]，接着可引入文献[25]介绍的动态反馈控制和自适应栅极偏置技术来减小AM-AM失真。采用Cascode结构还需要仔细考虑共源与共栅晶体管的尺寸比例，因其在一定程度上影响着PA整体的效率。
关于ET PA的优化已经进行了大量的工作，包括器件尺寸、开关级的异步切换和包络成型函数等，效率的提升有助于降低系统成本且能提高可靠性。考虑到ET及Doherty技术分别从直流供电和功放结构上改善效率，故另一种可行性方案是将两者结合，优势叠加，使ET Doherty PA在保证线性度的基础上能在更大的功率回退范围内实现高效率这一目标[26]。
2 PA线性度增强技术
RFPA的最优效率通常在饱和工作区附近取得，但同时也带来了强非线性效应而导致新的频率分量产生，特别是对于高峰均比的信号，仅仅采用功率回退难以在效率和线性度之间取得平衡，因而现代无线通信系统强烈依赖于PA的线性化技术。衡量其改善效果的指标主要有1 dB压缩点输出功率、双音（Two-tone）或多音信号输入时所产生的谐波和互调失真、邻信道功率比（ACPR）以及误差矢量幅度（EVM）。PA器件的非线性主要是由工作电路中的电容和电感引起的，用AM-AM和AM-PM特性曲线表征；通常，带内失真会恶化信号的EVM，带外失真会引起频谱扩展和能量泄漏。在宽带通信系统中，PA会存在记忆效应，即电路中各节点的瞬时电压和电流值不仅取决于当前输入，还与历史值有关。
最早提出的负反馈技术是通过环路增益因子来抑制PA的非线性失真，对互调分量的抑制具有较好的效果且结构简单，如图7所示[7]。其依据信号处理的方式不同可分为：包络、极坐标和笛卡尔负反馈(Cartesian Feedback)等。其中，笛卡尔负反馈技术具有很强的抗老化效应，对PVT变化不敏感，且没有严格的匹配要求，但由于受到PA稳定性和反馈网络的带宽限制，其还需结合自动LO(Local Oscillator)相位校准等方法进行改善[27]。
前馈(Feed-forward)技术的线性化效果更好，其建立在反馈的基础上，是一种开环结构，采用在PA输出端馈入误差修正信号来抵消PA的非线性失真，如图8所示。该技术在工作频带内不损失器件的增益带宽且具有无条件稳定性，缺点是硬件成本高，结构实现复杂，并要求各耦合支路通过延时补偿后严格对齐。此外，PA外部的工作环境变化会导致消除回路的幅相特性产生失真，造成线性度的降低[28]。现有的研究文献提出了许多不同的自适应优化方案，如基于DSP的前馈PA控制算法，其将信号消除和失真消除电路部分在基带数字域实现，并基于最小二乘模型对回路的电路系数进行估计[29]，但受限于A/D、D/A的采样速率，信号处理带宽和精度不够高且数字控制法需要根据输入信号特征进行参数化学习和训练。前馈技术通常用于对线性度要求较高的场景，如卫星通信系统等。
在无线通信系统中应用相对广泛的是预失真（Pre-distortion）技术，其通过在PA前端级联与PA非线性特性相反的电路模块，使两者的非线性相互抵消，即能得到一个与输入信号功率无关的常数增益和恒定相移，如图9所示[30]。
其按照实现方式的区别可分为数字预失真和模拟预失真，前者可以通过增加采样率和增大量化阶数的办法来抵消高阶互调量，适应性较强，常用的无记忆查表法需要预先建立存有校正数据的查找表(Look Up Table)，但由于其不能包含与PA传输函数相关的温度、电源电压、偏置和工艺条件等影响因素而降低预失真补偿所能达到的性能。虽然表中系数的更新信息可通过自适应反馈提供，但这要构建复杂的系统模型。数字预失真技术的主流发展方向在于如何对实际PA的行为特性进行准确建模，并通过高效的混叠算法产生相应预失真信号[31]；而后者是利用射频器件固有的非线性对PA的失真做出补偿，主要采用场效应晶体管(FET)、肖特基二极管和异质结双极晶体管(HBT)的基极-发射极二极管[32]。文献[33]在对称Doherty PA中内置一种简单的模拟预失真线性化电路，其充当自适应损耗元件并有效校正了功率回退时的AM-AM响应，将P1dB从23 dBm扩展到25.1 dBm而PAE并没有太大损失。相比前者，模拟预失真技术的电路结构更加简单、成本和能耗更低、频带宽且可以工作到毫米波频段，更适合高频高带宽的应用场景。
综上，各种线性化方法大体可以归成开环或闭环两大类。反馈技术通过使PA的增益降低来压低非线性失真信号的增益，但前提是PA本身具有足够高的增益才能获得较好的线性化程度。而前馈技术不仅可以得到与闭环系统相当的线性化能力，而且还具有开环结构的稳定和宽带；不过，前馈系统的校正环中需要辅助PA，所以总的效率比较低。预失真技术虽然没有闭环系统的校正精度，但它能够处理多载波信号，调制带宽非常宽，也不存在制约闭环系统固有的稳定性问题；并且其实现简单，成本较低，适用于宽频带、大容量的通信系统[12]。几种常用的PA线性化技术的性能对比如表2所示。
3 结论
相比价格昂贵且成品率低的Ⅲ-Ⅳ族化合物半导体工艺，硅基CMOS工艺经过长期的发展，已在性能上取得了长足进步并凭借高集成度及低成本的优势，再结合架构改进等优化方案，使其在毫米波频段的商用具有足够的吸引力；而PA作为射频收发机中的关键模块，其性能的好坏直接影响着整个通信系统，因此研究毫米波CMOS射频功率放大器对于推动5G通信技术的普及具有重要的意义和实用价值。
为应对高PAPR问题，需要对PA进行线性化处理，改善PA的非线性特性，减小信号的畸变并保证其在功率回退区时仍具有高效率。
包络跟踪（ET）技术有着高度的灵活性且适用于多种通信标准，是PA回退效率提升的一方良策，其根据输入信号的包络动态调整PA的漏极偏置电压，这样即能在很宽的功率范围内保持高效率工作，但在设计时还需综合考虑延时不匹配和带宽受限等问题。
高PAPR会使PA快速进入饱和区而呈现出增益压缩，由此会产生AM-AM和AM-PM失真。PA线性化技术的引入有助于减少通信系统的误码率和寄生干扰，相比负反馈和前馈技术，预失真方案具有尺寸小、复杂度和成本更低的优点，能很好地于单片集成电路中实现，其中的模拟预失真技术还具有使用频率高的特点，可被应用于毫米波领域。
鉴于现代通信信号调制方式愈发复杂高效的发展趋势，单一的功放技术已变得难以满足需求，将包络跟踪与线性化补偿技术结合起来，才能在未来5G通信上有更广阔的发展前景。
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文献[19]-[33]略
作者信息:
彭 林，章国豪
（广东工业大学 信息工程学院，广东 广州510006）