射频功率放大器设计要点：从线性度到效率的工程取舍
做无线通信硬件的，射频功率放大器（PA）是绕不开的核心器件。手机、基站、WiFi路由器、无人机遥控器，凡是要发射无线信号的，都离不开PA。PA的设计说难不难，说简单也不简单，核心就是在线性度、效率、输出功率这几个指标之间做取舍。今天聊聊PA设计的基本思路和工程上的关键点。
PA的作用是把射频信号放大到足够的功率，通过天线发射出去。它的几个关键指标：输出功率（Pout）是能发射多大的信号；效率（PAE）是直流功率转换成射频功率的比例，效率越高越省电、发热越小；线性度是输出信号跟输入信号的保真程度，线性度不好会产生邻道干扰；增益是放大倍数。这些指标互相制约，比如要线性度好往往效率就低，要效率高就得牺牲线性度。
PA按工作状态分A类、B类、AB类、C类、D类、E类、F类等。A类功放线性度最好，但效率最低（理论最高50%，实际只有20%到30%），一般用于对线性要求极高的小信号场景。AB类是线性和效率的折中，效率能到50%到60%，是目前最常用的类型。C类、D类、E类、F类是开关型功放，效率能到80%以上，但线性度差，适合恒定包络的调制方式（比如FM、GMSK）。现在的通信系统（4G、5G、WiFi）用的是OFDM调制，峰均比高，对线性度要求高，所以基站和手机PA基本都是AB类，配合线性化技术来提升效率。
线性化技术是PA设计的重点。常用的有几种：回退法最简单，就是让PA工作在比1dB压缩点低很多的功率上，牺牲输出功率换线性度，但效率也跟着下降。前馈法用辅助功放抵消主功放的失真，线性度好但效率损失大。预失真（DPD）是现在主流的方案，在基带或中频预先对信号做非线性处理，抵消PA的非线性失真，配合Doherty结构能在保持线性度的同时大幅提升效率。
Doherty功放是这几年基站PA的主流架构。它用一个主功放（载波放大器）和一个辅助功放（峰值放大器），主功放在低功率时工作，效率高；高功率时辅助功放开启，分担功率。Doherty能在功率回退6dB时保持40%以上的效率，比传统AB类的15%到20%高很多，特别适合峰均比高的OFDM信号。5G基站的Massive MIMO需要大量PA，Doherty加DPD的方案是现在的标配。
实际设计中有几个坑要注意。第一是散热，PA的效率再高也有一半以上的功率变成热量，大功率PA必须设计好散热路径，PCB的铜皮、散热过孔、散热片都要到位。第二是匹配，PA的输入输出匹配直接影响增益和效率，要根据器件的S参数做共轭匹配，高频时还要考虑寄生参数。第三是稳定性，PA在某些频率下可能自激，要加稳定电阻或者反馈网络。第四是电源去耦，PA的电源纹波会直接调制到输出信号上，要用电感加电容做好电源滤波。总的来说，PA设计需要理论和实验结合，仿真只是起点，实际调试才是关键。
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