随着移动通信技术的发展，LTE等准4G移动通信网络已经大规模部署，以LTE-A为代表4G标准已开始投入商用，下一代的5G通信标准也已提上日程。同时，现存的2G/3G网络仍然在运营中，服务着数以亿计的用户。

　　图1为我国现行通信频谱的划分，由图1可见，由于2G/3G/4G通信标准的多样，以及当前频谱资源在广阔的频带上呈现碎片化分布的现实情况，同一个运营商同时在多个不同的频段运营多个通信标准，就成为一种新常态。在此背景下，希望基站具有宽带工作的能力以提供更大的灵活性。为了提供更高的通信速率，LTE-A等下一代通信标准中普遍采用了载波聚合(CA)技术，这就更进一步希望基站具有宽带并行工作的能力。

　　近年来，随着射频集成电路(RFIC)技术的发展，基站射频前端(RFFE)中大部分器件，如频率综合器、混频器、放大器等均已经实现集成化和宽带化。在现有的基站产品中，为满足3G/4G通信标准对高峰均比(PAPR)下保持高效率高线性的要求，广泛使用了DohertyPA(DPA)+数字预校正(DPD)的架构。DPA由于其内在的带宽限制因素，传统上被认为是一种窄带的高效率PA技术。在此情形下PA系统就成为实现宽带并行基站的主要瓶颈。传统上，为了使用窄带DPA实现并行基站以满足CA的需求，必须采用多通道的架构，如下图2所示。

　　如图2所示，在多通道结构中，使用多个独立的窄带射频通道分别覆盖不同的频段，从而绕过窄带DPA带来的限制。显然，这样的多通道发射机具有结构复杂、成本高、可靠性差、缺乏柔性、尺寸大、重量大的缺点。此外，由于需要使用腔体多工器进行多个频道的合成，又带来了额外的成本和损耗。

　　考察上图中的多通道发射机可以发现，射频通道中除了DPA，所有器件都可以多频并行工作。因此设想，如果使用可以宽带并行工作的PA，同时对峰值因子压缩(CFR)、DPD等基带算法进行相应的改进，通信发射机的结构就可以得到极大简化，如下图3所示。显然，使用宽带并行PA，可以使得通信发射机成本、性能、可靠性都得到明显改善。因此宽带并行PA最近几年受到学术界和工业界的广泛关注，取得了明显的进展，然而距离实现可工业应用的高效宽带并行PA还有明显的距离。

　　传统应用于基站功放的微波功率管主要是SiLDMOS，LDMOS在2.5GHz以上频段其效率大幅下降，由于LDMOS器件输出电容较大，造成功放管视频带宽变小，而相应的视频带宽补偿方法又影响功放本身的射频带宽。因此，面对不断提高的宽带、多频多模应用要求，LDMOS已略显疲态，其性能也不再具备优势。

　　以基于SiC衬底GaN微波功率器件为代表的第三代半导体功率器件，在宽带微波功率放大应用方面表现出显著的性能优势，开发出满足基站应用的GaN微波功率器件，实现面向后4G和5G的高效节能基站功放，对推动移动通信技术的发展意义重大。基于我国GaN微波功率器件技术基础，建立自主的基站应用GaN微波功率器件和电路技术，研制出满足后4G和5G移动通信应用的高效GaN功放电路，提升基站产品的竞争力，摆脱对进口的依赖。

　　国内外研究进展

　　载波聚合宽带多频高效GaN功放

　　可用于通信基站的高效率功率放大器技术包括Doherty功率放大器(DPA)、谐波调谐功率放大器、开关模式功率放大器(SMPA)、Outphasing、包络消除与恢复(EER)和包络跟踪技术(ET)，以及Sequential功率放大器(SPA)等。在提出时，这些高效率PA技术大多没有考虑带宽问题，当然其中如EER和ET等技术内在就具有较宽的射频带宽，但具体到宽带的实现上，仍然需要有针对性的设计。近年来，随着对基站功放宽带化需求的逐渐出现，对上述高效率功放技术进行宽带化改造的课题逐渐提上日程，分别取得了不同程度的进展，这些技术当中由于Doherty功放良好性能和电路结构简单等优势而逐渐成为基站功放的首选。

　　1936年，W.H.Doherty提出Doherty功率放大器后，相当长一段时间内并没有受到太多的重视，直到本世纪初，随着通信技术的发展和高PAPR调制技术的应用，Doherty才获得广泛的关注。由于DPA可以很好的应对当前通信基站7dB以上的PAPR，并且具有结构简单可靠的优点，当前DPA+DPD已成为基站功放的主流解决方案。在宽带化方面，DPA在诸多技术中进展最为显著。从2013年至今，Doherty的宽带化一直是研究者关注的焦点，研究者对Doherty带宽限制的因素进行了深入研究，提出多种可有效扩展功率放大器带宽的方法，包括后匹配技术、回退区阻抗均衡技术、倒置Doherty技术等。在早期研究中，往往是单独使用上述中宽带化技术中的某一种。而在最近的研究中，为了在最大程度上扩展Doherty功率放大器的带宽，往往需要综合应用上述技术。近一两年，DPA的带宽得到了明显的提升。

　　针对新一代无线通信系统载波聚合技术需求，提出共时双频基站功放和连续模式宽带高效基站功放电路理论、成功实现双频基站功放和带宽大于1.1GHz宽带基站功放，有效突破了传统基站功放带宽瓶颈。清华大学研究团队在2010年提出了基于独立相位补偿的双频Doherty功放设计理论，在所见报道中率先成功实现了双频Doherty功放，发表在IEEET-MTT的成果相关论文入选ESI高被引检索。同期意大利罗马大学研究团队对双频Doherty进行了研究，由于未考虑双频独立的相位补偿，功放仅能在第一个频段上工作，导致试验结果失败。针对多频载波聚合应用需求，该团队还提出了连续模式宽带Doherty功放电路理论，将谐波调谐引入宽带Doherty功放电路设计中，突破了传统基频匹配的带宽和效率瓶颈，实现了带宽大于1.1GHz、线性工作全频带效率都优于46%的宽带Doherty功放，成果已发表IEEET-MTT，为已有文献报道中性能最优的宽带Doherty功放，实现了单一功放覆盖所有主流通信频段，极大地降低了通信基站的系统复杂度和成本。

　　载波聚合宽带GaN功放线性化

　　数字预失真技术（Digital Predistortion,DPD）是现代通信系统中重要的线性化技术，通过在功率放大器前面用一个非线性器件来抵消功放的非线性，可同时提高功放效率和线性度，具有灵活稳定、线性化性能好等优点。双频功放非线性不仅包含带内的互调，还存在双频之间的交调分量，因此其非线性特性更加复杂。国内外诸多研究者在解决并行模式下多频功放性能恶化的问题上做出了许多努力。迄今为止，多频功放（主要是双频和三频）的输出功率和效率已接近单频功放的水平。但是，由于多个频段信号在同一通路中进行处理和放大，受功放非线性影响，除了频段自身导致的非线性分量外，还会产生严重的交叉调制与耦合，甚至还可能有带外的交调分量落在有用信号附近，严重影响信号的解调性能。因此，线性化是并行多频功放研究中的必要工作之一，而数字预失真技术为此提供了强有力的支持。

　　清华研究团队从理论上分析双频功放的非线性行为，提出二维记忆多项式非线性模型对双频功放非线性特性进行理论分析和验证，建立了基于误差排序（EVR）的模型冗余削减算法。在保证建模精度基本不变的情况下，显著降低双频功放非线性模型复杂度，成果发表在IEEET-MTT上，并应用于中兴、大唐双频基站当中，大唐双频基站平台测试结果显示，模型系数可以减少65%以上，计算占用硬件资源减少80%以上。研究团队还提出了结构化的低复杂度双频功放线性化算法，引入包络耦合的复信号二维功放行为模型，将复杂度降低到与传统单频模型相当，提出一种改进二维记忆多项式功放预失真算法（2D-MMP），成果发表在IEEET-MTT上，并入选ESI高被引论文。研究团队还提出了压缩感知数字预失真算法，利用压缩感知理论对功放非线性行为模型进行参数提取，并估计功放输出信号和非线性补偿。实验表明该方法可以降低采样率80倍以上，仅用2.5Mbps采样率就完成了40MHz带宽信号的DPD算法。

　　展望与建议

　　鉴于氮化镓为代表的第三代半导体微波器件在社会经济、国家安全和科学研究等领域的重要应用前景，以及国内外尚处于关键技术研究阶段所带来的巨大探索空间，进一步开展氮化镓微波器件与应用研究将有力促进我国射频功率器件的发展，有效提升我国在信息领域的国际竞争力。根据国内外目前的研究发展状况，下一阶段氮化镓微波器件研究的重点建议如下：

　　1）加强GaN器件建模能力和MMIC模型库建设。国内GaN器件性能已与国外工艺非常接近，但在器件模型和工艺库建设方面还存在较大的短板，这对后期的MMIC开发和应用带来了很大限制，提高GaN器件建模研究将对GaN微波器件的发展和应用会有巨大的推动。

　　2）建设国内GaN器件研发的平台型工艺线。国内的GaN工艺线由于主要面向国防应用等原因，目前还比较封闭，无法对外提供代工服务，国内科研单位不惜代价寻求欧洲、台湾等代工企业，这十分不利于GaN器件的规模开发和应用，针对高校和科研院所的平台型GaN工艺线建设，将对GaN器件性能提升和产业化应用带来极大的促进作用。

　　3）高频GaN器件进一步提升与突破。由于5G等新一代无线通信技术的快速发展和演进，对毫米波甚至亚毫米波等高频段高效功放器件的需求日益迫切。国内在毫米波与亚毫米波频段的GaN器件与国外相比还存在差距，而近年来在V波段、W波段等毫米波频段大功率微波器件需求非常强烈，因此亟需对高频段GaN器件进一步进行提升突破。

　　作者单位：清华大学电子工程系微波与天线研究所