现代RF放大器既需要线性也需要高效率。线性要求是源于现代调制方法的使用，如QAM（正交幅度调制）和OFDM（正交频分多址调制，参考文献1）。这些放大器还需要效率，以降低功耗和减少散热。开发人员通常将现代RF放大器组件装在天线杆内。这些“杆顶”放大器的设计中，外壳可以不含风扇且直接暴露在日光下。在功耗上每节省1W，就意味着少了1W的散热器散热需求。另外，对放大器过驱动会导致失真，产生谐波尖刺，使解调无法进行。这些尖刺会落入邻近的频段，也许是手机公司并不拥有的频段。FCC（联邦通信委员会）对这种ACLR（邻道泄漏比）有严格的限制。
所以，你有两个理由去实现良好的线性度：这样才能精确地调制信号，这样你的信号才不会干扰邻近的信号。同样重要的是，你能在输出级获得最佳的功率效率。问题是，线性与效率是互斥的。
在频域和时域中都可以查看RF放大器的失真。在时域中，能够形象地看到一个通过RF放大器的切角或平顶正弦波，如同驱动过度而靠近电压轨的音频信号一样（图1）。在频域中，放大器失真表现为包含谐波的“边缘”，它进入了邻近频段范围内（图2）。对于任何放大器，希望的功率越高，则得到的失真就越严重。在RF频率下，不仅有幅度失真，还有相位失真，以及由于热瞬变和电记忆效应所带来的失真（图3）。相位失真出现于快速转换速率区中，RF输出滞后于输入信号的情况，如当载波信号进入大地时，或当一个调制包络必须立即变到一个不同电平时。
为了在一个确定带宽内装入更多信息，现代调制技术依赖于准确接收的RF信号包络。有了准确的电压与相位，就可以解码出代表某个数字码的点的星座。这个码产生出一个数字数据流，然后进一步解码成一个基带语音或数据信号。
较老的调制方法对放大器的线性比较不敏感。AM（调幅）收音机与模拟电视广播都使用AM方式，它依赖的是RF信号的峰值。任何失真对所有峰值都有相同影响，而对所有接收信号的质量影响不大。FM（调频）收音机与模拟电视的音频信号采用的是FM方式，它取决于波形的零交越。因此任何幅度非线性都没有影响。相位失真对零交越有影响，但它们是均匀的效果，不会影响FM调制。
提高RF放大器线性有多种技术。首先，可以采用更好的晶体管。于是，制造商会在RF晶体管生产中采用GaAs（砷化镓）和其它III-V族半导体工艺，即至少一个III族元素和至少一个V族元素组成的化学化合物。另外，还可以尝试用SiGe（硅锗）晶体管，也许再加上CMOS工艺（参考文献2）。虽然SiGe比GaAs慢，噪声也大，但通常也够用了，尤其是在低于3 GHz的频率下。工程师面临着在RF放大器中采用CMOS的压力，因为它的成本低，但CMOS的工作电压低，因此难以在功率放大器中实现。CMOS还有高的噪声系数，降低方法是增加晶体管结构的尺寸，但这种办法也增加了杂散电容，降低了产品的工作频率。RFMD和其它公司提供蓝宝石上做的CMOS，所有晶体管下面都有一个介电隔离层（参考文献3）。这种方法有成本优势，减少了杂散电容。
受市场驱动的现实是，工程师们可以用CMOS制造用于Wi-Fi热点应用的小功率RF放大器。手机需要更特殊的工艺，如SOI（绝缘硅），GaAs将在近期手机基站上占支配地位。
一旦你的功率放大器有了线性良好的晶体管技术，接下来要关注放大器的架构。你可以从一种间断驱动的架构（如Class C型）转换到一种更连续的类型，如Class AB型。Class C的效率高，因为它用一只晶体管驱动一个储能电路，产生出供发射的RF正弦波。但遗憾的是，Class C放大器不适应现代的线性需求，尤其是基站。获得良好线性的一种方式是减少对放大器的驱动，这样晶体管就不会接近饱和，输出电压摆幅就完全处于电源轨的范围内。不幸的是，这种方案的效率最差。
为解决这个问题，可以尝试采用一种Doherty放大器，它是一种复合型设备，使用了一个主通道和一个辅助RF通道，可以在信号强度低时节省功耗，而当需要较高功率时，仍能适应较大的信号摆幅（图4）。Doherty放大器架构运行很好，但它增加了理想的简单放大器级的器件数和复杂性。
如果为了获得效率而要将RF放大器置于饱和状态，则可以尝试用正反馈技术使之线性化。十多年来，RF设计者已成功地将这些技术用于手机基站。现在的问题是，用于4G（第四代）LTE（长期演进）的新调制方法有更高的要求。为了获得更高的带宽效率（以每赫兹比特度量），即便对最好的放大器，这些新的调制方法也提出了困难的线性要求。
这种状况促使工程师们采用预失真（predistortion）技术对RF功率放大器做线性化（参考文献4）。由于这类技术要对天线馈送的输出做采样，并送回输入端，它看起来类似于所有模拟工程师都熟知的反馈技术。但是，预失真并不会给 一个误差放大器提供反馈信号，因为RF信号速度太快，无法将一个真正的载波频率信号回送给误差放大器。预失真采用的是一些算法，它们可精确预测放大器各种工作条件下的效应，从而调节输入信号，使之通过RF功放时有更好的线性。
可以设想一下算法的基础功能。对一个摆幅大到接近电源轨的正弦载波，所有RF放大器都会将其抹平。因此，预失真算法会使这些较大幅度的正弦波有更尖锐的波峰。这样，就可以从放大器获得一个较纯净的正弦波。在时域中很容易看到这种情况。而在频域中，可以将预失真想象成增加某种相位角的谐波成分，它抑制掉非线性RF功放所产生的尖刺。当为一个预失真电路通电时，就可以看到邻道尖刺的幅度大大减小。
通过一个类似想法的实验，也可以看到预失真算法如何补偿一个放大器的相位误差。由于相位误差是可预测和可重复的，算法就可以修改输入波形的时序，以去除任何放大器的滞后。在时域中，可以想象成算法在快速转换速率期间超前于信号，使得放大器最终输出一个干净的正弦波。在频域中，邻道尖刺也达到了可以接受的水平。
现在的预失真算法已足够完备，甚至可以消除热效应带来的失真。高低温对功率晶体管造成的失真是不同的。可以开发出一种算法，预测输出晶体管的功耗。从这个预测中，可以推断出晶体管的温度，然后对输入作适当调节，从而使输出保持为线性。这个算法必须考虑到所用散热器以及周围环境的热时间常数。
数字预失真还是模拟预失真？
过去几年来，手机基站制造商已接受了用数字预失真做放大器线性化的方法（图5与参考文献5）。此时，要用一个单向耦合器对RF输出做采样。可以用一个混频器，将千兆赫水平的信号下变频到一个较低频率。然后就可以用一个快速ADC对波形采样。这些采样被送至一片运行预失真算法的FPGA，用于修正输入波形，还给出一个数字的数据流。然后，FPGA输出RF基带信号或I（索引）和Q（正交）信号，再上变频至手机所在频段的RF载波效率。
建立这一系统的方法有多种（参考文献6）。通过采用独立的ADC和下变频芯片，可以针对需求优化自己的系统，并使用可以从很多供应商获得的标准化部件。例如，Hittite、Analog Devices、德州仪器公司、凌力尔特公司以及Intersil公司（参考文献7）都制造可用于分立数字预失真电路的硅芯片。
很多工程师都熟悉Altera公司的FPGA在数字领域的使用。该公司的MegaCore IP（智能产权）可完成预失真的数字部分运算（参考文献8）。Analog Devices公司与Altera公司合作，提供一种混合信号的数字预失真系统板，而德州仪器公司提供GC5325这类发射处理器器件，以降低信号波峰系数，以及抵消功放的失真（图6）。Xilinx公司为自己的Virtex-4和Virtex-5 FPGA提供一个数字预失真的参考设计。由于手机基站承载了较多的RF通道，空间就成为了一个问题。凌力尔特公司等的解决方法是将整个数字预失真电路集成为LTM9003微模块（图7）。
尽管手机基站制造商接受数字系统，但供应商们在采样数据系统中做的主要是模拟电路，这带来了成本、功耗和空间不利因素。替代方法是用模拟技术实现RF放大器的线性。例如，新兴公司Scintera Networks将目标瞄准了5W区间的小功率RF系统，还有UHF（超高频）电视发射站的信号路径（图8）。这种方法会采样驱动级的RF信号，使RF信号保持在模拟域中，但通过采用一种波形的Volterra Series扩展，对其作因数修正。Volterra Series是一种非线性性能的模型，类似于Taylor Series，不过Volterra Series可以表达记忆效应。Scintera公司的方案会对RF输出作采样和数字化，采样结果被送入该公司芯片中的数字电路。该设计用数字段计算出RF信号链的模拟因数，然后用另一个单向耦合器，将经Volterra因数修正的RF信号混合回到RF路径中。系统只需要在芯片中处理足够的RF，就能校正放大器的失真。大多数RF功率都在主RF路径内，而绕过了IC。Scintera公司将RF保持在模拟域，提供了一个功耗远低于数字预失真方式的系统（图9）。
要注意，数字预失真系统的设计与测试都不是简单的任务。你需要完备的RF设计工具，如AWR公司的Microwave Office以及Agilent公司的ADS（参考文献9）。除了用先进的测试设备确定RF路径的特性以外，可能还需要购买和学习专用的测试设备，如一台实时频谱分析仪（参考文献10）。
无论是采用模拟预失真还是数字预失真，都可以减少RF设计中的干扰，并使用先进的调制方法。最重要的是，预失真可以将RF放大器驱动至接近饱和状态，从而提高了功率效率。你可以用分立芯片自己搭建系统， 也可以使用封装内已集成所有功率的微模块。在ADC以及下变频IC中实现所需线性是半导体公司的一项成就。这些公司都有自己的应用专家，可以帮助你设计出RF信号路径，满足所有的规范要求、减少功耗，并提供每兆赫兹最大位数。
参考文献
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 Amplifiers 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.