自適應(yīng)前饋射頻功率放大器設(shè)計(jì)

1.引言

　　現(xiàn)代無(wú)線通信的迅猛發(fā)展日益朝著增大信息容量，提高信道的頻譜利用率以及提高線性度的方向發(fā)展。一方面，人們廣泛采用工作于甲乙類狀態(tài)的大功率微波晶體管來(lái)提高傳輸功率和利用效率；另一方面，無(wú)源器件及有源器件的引入，多載波配置技術(shù)的采用等，都將導(dǎo)致輸出信號(hào)的互調(diào)失真。因此，在設(shè)計(jì)射頻功率放大器時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行線性化處理，以便使輸出信號(hào)獲得較好的線性度。一般常用的線性化技術(shù)包括：功率回退、預(yù)失真、前饋等，其中，功率回退技術(shù)能有效的改善窄帶信號(hào)的線性度，而預(yù)失真技術(shù)和前饋技術(shù)，特別是前饋技術(shù)，由于其具有高校準(zhǔn)精度，高穩(wěn)定度以及不受帶寬限制等優(yōu)點(diǎn)，成為了改善寬帶信號(hào)線性度時(shí)所采用的主要技術(shù)。本文首先簡(jiǎn)述了普通的前饋線性化技術(shù)，而后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，添加了自適應(yīng)算法，并通過(guò)信號(hào)包絡(luò)檢測(cè)技術(shù)提取出帶外信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到改善輸出信號(hào)線性度的目的。

2.前饋基本原理

　　最基本的前饋放大器原理如圖1所示。他由2個(gè)環(huán)路組成：環(huán)路1由功分器、主放大器、耦合器1、衰減器1、相移器1、延時(shí)線1、合成器1組成。輸入的RF信號(hào)，即2個(gè)純凈的載波信號(hào)，經(jīng)功分器后被分成兩支路信號(hào)：上分支路為主功率放大器支路，純凈的RF載波信號(hào)經(jīng)過(guò)該支路后產(chǎn)生放大后的載波信號(hào)和互調(diào)失真信號(hào)；下分支路為附支路，純凈的RF載波信號(hào)經(jīng)過(guò)該支路后被延時(shí)，主功率放大器支路輸出的非線性失真信號(hào)經(jīng)衰減器1和相移器1后，與附支路輸出的信號(hào)在合成器1中合成，調(diào)節(jié)衰減器1和相移器1使兩支路信號(hào)獲得相等的振幅，180'相位差以及相等的延遲。這時(shí)，就能有效地抵消主功率放大器支路的RF載波信號(hào)，而提取出由于主放大器非線性放大所產(chǎn)生的互調(diào)失真信號(hào)。因此，這一環(huán)路又稱為RF載波信號(hào)消除環(huán)路。

　　環(huán)路2，也叫失真信號(hào)消除環(huán)路，由延時(shí)線2、輔助放大器、衰減器2、相移器2、耦合器2組成。同樣也有兩條分支支路：上分支路將主放大器輸出的非線性失真信號(hào)延時(shí)后送人耦合器2；下分支路將環(huán)路1提取出的互調(diào)失真信號(hào)進(jìn)行放大，衰減，相移后也送人耦合器2，調(diào)節(jié)衰減器2和相移器2，直到耦合器2輸出的信號(hào)中互調(diào)失真信號(hào)最小，也就是IMD最小，則此時(shí)輸出的信號(hào)就是放大的性的射頻信號(hào)。

3. 自適應(yīng)前饋射頻功率放大器

3．1 自適應(yīng)前饋電路的原理及算法

　　由于在前饋系統(tǒng)中對(duì)載波信號(hào)的抵消要求很高，內(nèi)外界環(huán)境的變化，諸如：輸入信號(hào)功率，直流偏置電壓以及環(huán)境溫度的變化，都容易造成載波信號(hào)抵消失靈。因此，引入自適應(yīng)技術(shù)，以便能及時(shí)獲得載波信號(hào)在振幅，相位以及延時(shí)上的匹配，就變得非常有必要了。自適應(yīng)前饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　他由3個(gè)環(huán)路構(gòu)成：環(huán)路1主要用于提取互調(diào)失真信號(hào)，環(huán)路2主要用于消除失真信號(hào)，而環(huán)路3則主要用于檢測(cè)互調(diào)失真信號(hào)功率。

　　設(shè)輸入信號(hào)為υin(t)，經(jīng)主放大器后的輸出信號(hào)為υρα(t)，將υρα(t)耦合一部分到矢量調(diào)制器1，用復(fù)系數(shù)α代表矢量調(diào)制器1的調(diào)制系數(shù)，同時(shí)，將主放大器簡(jiǎn)化為一個(gè)無(wú)記憶的非線性模型，則其AM／AM及AM／PM傳遞函數(shù)就可以簡(jiǎn)單的用復(fù)電壓增益G(χ)來(lái)表示，其中χ代表瞬時(shí)功率，那么從矢量合成器1輸出的信號(hào)υα(t)就可以表示為：

       在具體的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上，在合成器1后面又添加了功分器2，其目的是對(duì)信號(hào)υd(t,g, ψ)進(jìn)行功率檢測(cè)，很明顯，如果調(diào)節(jié)α使得合成器1兩輸入信號(hào)的幅度，相位以及延遲都達(dá)到匹配，那么這里檢測(cè)到的功率將只有互調(diào)失真信號(hào)υe(t)的平均功率尸+而他是很小的，換句話說(shuō)，如果檢測(cè)到功分器2輸出的功率足夠的小，那么此時(shí)對(duì)α的調(diào)節(jié)就達(dá)到了最優(yōu)，即RF載波信號(hào)已被最大程度的消除了，而保留下來(lái)的僅有互調(diào)失真信號(hào)υe(t)。

　　進(jìn)入環(huán)路2的互調(diào)失真信號(hào)經(jīng)過(guò)輔助放大器放大，矢量調(diào)制器2(其調(diào)制系數(shù)為復(fù)系數(shù)β)調(diào)節(jié)后，與經(jīng)過(guò)延時(shí)線2的主放大器輸出信號(hào)在合成器2中合成。該環(huán)路對(duì)互調(diào)失真信號(hào)的振幅及相位調(diào)節(jié)同樣也采用自適應(yīng)技術(shù)，其數(shù)學(xué)原理如上所述，但在實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)上，卻與環(huán)路1不同，環(huán)路1是通過(guò)直接檢測(cè)合成器1的輸出信號(hào)來(lái)判定RF載波信號(hào)是否被抵消到最小值，而環(huán)路2在判定互調(diào)失真信號(hào)是否被抵消到最小值時(shí)，卻需要引入第三個(gè)環(huán)路。

　　我們知道，對(duì)于相同功率的輸出信號(hào)，線性信號(hào)的包絡(luò)要大于非線性信號(hào)的包絡(luò)，而二者的包絡(luò)差值信號(hào)就是互調(diào)失真信號(hào)，最大限度減小其包絡(luò)差值信號(hào)，就能最大程度地改善輸出信號(hào)的線性度，從而減小IMD。環(huán)路3的工作原理正在于此。他處理的兩路信號(hào)一路是線性信號(hào)，即經(jīng)過(guò)延時(shí)線3及功分器4的RF載波信號(hào)，另一路是非線性信號(hào)，即經(jīng)前饋系統(tǒng)環(huán)路1和環(huán)路2后由合成器2輸出的信號(hào)。首先，環(huán)路對(duì)兩路信號(hào)的合成信號(hào)進(jìn)行功率檢測(cè)，并調(diào)節(jié)矢量調(diào)制器3，直到檢測(cè)到的功率最小，這時(shí)，就可以認(rèn)為線性信號(hào)與非線性信號(hào)具有了相同的載波輸出功率。而后，再對(duì)兩路信號(hào)分別進(jìn)行包絡(luò)檢測(cè)，提取包絡(luò)差值信號(hào)，將此包絡(luò)差值信號(hào)作用于矢量調(diào)制器2，即不斷調(diào)節(jié)小最終使帶外互調(diào)失真信號(hào)減至最小，這時(shí)就會(huì)獲得高線性度的輸出信號(hào)。

3．2 計(jì)算機(jī)仿真

    應(yīng)用一個(gè)峰值功率為180W的LDMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管在計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)上設(shè)計(jì)了一個(gè)25 W的功率放大器，并對(duì)其輸入兩個(gè)頻率間隔為1MHz的載波信號(hào)，用以產(chǎn)生三階及五階互調(diào)失真信號(hào)。圖3為在未采用自適應(yīng)前饋技術(shù)時(shí)信號(hào)的輸出情況。此時(shí)IMD3只能達(dá)到-55dBc左右，IMD5只能達(dá)到-56dBc左右，而圖4則是采用該項(xiàng)技術(shù)后信號(hào)的輸出情況。此時(shí)IMD3可達(dá)到-72 dBc左右，IMD5可達(dá)到-76dBc左右，其改善程度顯而易見(jiàn)。

4.結(jié)束

　　本文采用自適應(yīng)前饋技術(shù)并給合包絡(luò)檢測(cè)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)射頻功率放大器。由于該項(xiàng)技術(shù)考慮到實(shí)際中可能遇到的問(wèn)題，從而對(duì)復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，不僅從理論上，而且從實(shí)踐上證實(shí)了他的可實(shí)現(xiàn)性。

　　計(jì)算機(jī)模擬仿真試驗(yàn)表明：這種自適應(yīng)前饋技術(shù)的確能夠有效的改善功率放大器的非線性失真。當(dāng)然，對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。