基于功率檢測(cè)自適應(yīng)的前饋功放設(shè)計(jì)

摘要：分析了常用雙環(huán)自適應(yīng)前饋電路在屏蔽和寬帶頻率兼顧等地方的缺陷，設(shè)計(jì)了一個(gè)功率檢測(cè)自適應(yīng)電路。功率檢測(cè)自適應(yīng)應(yīng)用于前饋系統(tǒng)第一極環(huán)路，通過MCU監(jiān)控電壓檢測(cè)值，自動(dòng)調(diào)節(jié)第一環(huán)路的移相、調(diào)幅矢量調(diào)節(jié)器，改變相位、幅度參數(shù)，以達(dá)到環(huán)路抵消最好，保證在功率與頻率不斷變化的情況下，誤差信號(hào)提取時(shí)刻都保持最純凈。仿真結(jié)果顯示，在輸出125W的GSM前饋系統(tǒng)中，可使其IMD3小于-65dBc。
關(guān)鍵詞：前饋電路；功率檢測(cè)；自適應(yīng)電路；三階交調(diào)

0 引言
    隨著現(xiàn)代無線通信的迅速發(fā)展，射頻功率放大器朝著大功率，高效率與高線性的方向發(fā)展而目前引起功率放大器的非線性的因素主要有以下兩點(diǎn)：工作于甲乙類狀態(tài)的大功率LDMOS的應(yīng)用越來越廣泛；非線性器件的引入，多載波技術(shù)的應(yīng)用都將使輸出信號(hào)產(chǎn)生交調(diào)失真。因此，在設(shè)計(jì)射頻功率放大器時(shí)，線性度是需要考慮的關(guān)鍵指標(biāo)。目前常用的線性化技術(shù)有功率回退、預(yù)失真技術(shù)(APD／DPD)、前饋技術(shù)(FF)等。其中，功率回退技術(shù)能一定程度的改善窄帶信號(hào)的線性度；而預(yù)失真技術(shù)通過反饋信號(hào)對(duì)失真信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)線性度有較大的改善；前饋技術(shù)，由于其采用兩個(gè)環(huán)路精確抵消，能較好地改善線性指標(biāo)，而且不受帶寬限制，所以在線性化方面有較大優(yōu)勢(shì)，但效率較低。本文首先簡(jiǎn)述了一般前饋線性化技術(shù)自適應(yīng)方面的缺陷，而后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，添加了自適應(yīng)算法，并通過功率檢測(cè)自適應(yīng)電路對(duì)誤差提取信號(hào)進(jìn)行改善，從而達(dá)到改善輸出信號(hào)線性度的目的。

1 自適應(yīng)前饋控制原理
    前饋電路系統(tǒng)相比其他線性化技術(shù)較為復(fù)雜，其原理主要是通過移相器和矢量調(diào)幅器的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)環(huán)路的抵消；因此，要在功率和頻率不斷變化的情況下實(shí)現(xiàn)精確的抵消，在前饋系統(tǒng)中必須加入自適應(yīng)電路。前饋系統(tǒng)的兩個(gè)環(huán)路分為信號(hào)抵消環(huán)路和誤差抵消環(huán)路。為了確保兩個(gè)環(huán)路均能達(dá)到較好的抵消效果，一般情況下第一環(huán)和第二環(huán)均要加入自適應(yīng)控制。目前應(yīng)用于前饋系統(tǒng)中的自適應(yīng)方法主要有直接信號(hào)相關(guān)檢測(cè)法，導(dǎo)頻檢測(cè)和最小功率檢測(cè)。本文主要是介紹在第一環(huán)最小功率檢測(cè)法的實(shí)際應(yīng)用中做出的幾點(diǎn)改進(jìn)，如圖1所示，在傳統(tǒng)的前饋系統(tǒng)中第一環(huán)和第二環(huán)均使用到最小功率檢刪法。
    從圖1中可以看出，第一環(huán)最小功率檢測(cè)放在功分器2后面，此處功率檢測(cè)芯片一般使用比較經(jīng)典的AD8362，通過其檢測(cè)到的功率值判斷主信號(hào)是否完全被抵消。主信號(hào)完全被抵消才意味著誤差信號(hào)提取最純凈。

    在理論上認(rèn)為輸入信號(hào)是純凈的，在功分器1后一路信號(hào)經(jīng)過主放大后經(jīng)過耦合器，一路信號(hào)經(jīng)過無源器件(功分器、延時(shí)線等)延時(shí)后，在合成器1處進(jìn)行抵消，將抵消的信號(hào)送到功率檢測(cè)器，這樣通過功率檢測(cè)器檢測(cè)到的功率就可以判斷當(dāng)前抵消狀態(tài)，然后調(diào)節(jié)移相器和矢量調(diào)幅器后與之前檢測(cè)到的信號(hào)功率進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)到的功率最小時(shí)說明環(huán)路抵消最好，這時(shí)的電路參數(shù)值就是當(dāng)前環(huán)境下電路的最優(yōu)參數(shù)。另外導(dǎo)頻法也是前饋系統(tǒng)中一種常用的自適應(yīng)方法。導(dǎo)頻是在電路中引入一個(gè)適當(dāng)功率大小的導(dǎo)頻信號(hào)，導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)入前饋系統(tǒng)以后將被看作一個(gè)失真信號(hào)而得到一定程度的抵消，如果導(dǎo)頻信號(hào)通過前饋系統(tǒng)后被完全抵消了，那么由放大器產(chǎn)生的非線形失真信號(hào)也會(huì)被前饋系統(tǒng)最大程度的壓縮，但是導(dǎo)頻信號(hào)法不僅電路系統(tǒng)和控制程序復(fù)雜，而且還會(huì)引入新的交調(diào)失真，所以應(yīng)用起來也較有難度。

2 改進(jìn)的自適應(yīng)前饋
    對(duì)自適應(yīng)前饋系統(tǒng)的改進(jìn)主要考慮以下3點(diǎn)：首先，自適應(yīng)前饋的改進(jìn)電路盡量減少新的失真信號(hào)，其次，環(huán)境適應(yīng)能力要強(qiáng)，在溫度、輸入功率和頻率不斷變化的情況下均要滿足抵消要求；另外，誤差提取環(huán)路中最優(yōu)權(quán)重系數(shù)的收斂要比較快。而誤差消除環(huán)路的最有權(quán)重系數(shù)收斂相對(duì)可以慢些。本文在原雙環(huán)自適應(yīng)前饋的基礎(chǔ)上，通過實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)和仿真，對(duì)原前饋系統(tǒng)的最小功率檢測(cè)法進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)方法如下：
2．1 誤差提取信號(hào)后加放大管
    在第一環(huán)誤差信號(hào)提取鏈路中，由于主信號(hào)被完全抵消，信號(hào)中只剩下純凈的誤差信號(hào)。所以信號(hào)非常小，一般純凈的誤差信號(hào)只有-50 dBm左右。所以在其經(jīng)過功分器2后，如果直接進(jìn)入檢波器會(huì)影響功率檢測(cè)。另外-50 dBm左右的信號(hào)經(jīng)過較長(zhǎng)的鏈路也會(huì)帶來干擾，達(dá)不到最佳抵消效果。
    如圖2所示，在功分器2前加一個(gè)放大管后，將誤差信號(hào)放大到-30 dBm左右達(dá)到了改善誤差鏈路的目的。

    將經(jīng)過改進(jìn)后的鏈路進(jìn)行仿真，未加放大管的仿真結(jié)果(如圖3(a)所示)與加放大管之后的前饋系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖3(b)所示。
    從仿真結(jié)果可以看出，由于在未加增益管前，誤差信號(hào)功率太小，在抵消時(shí)容易受到外界干擾，無法在抵消過程中看到真實(shí)的情況?？吹降闹皇歉蓴_信號(hào)與誤差信號(hào)的疊加。
2．2 用MCU控制第一環(huán)移相器和適量調(diào)幅器
    要使誤差信號(hào)在任何時(shí)刻提取保持最純凈，那么第一環(huán)移相器與適量調(diào)幅器就需要不斷調(diào)整，如何做到自適應(yīng)，使第一環(huán)移相器和適量調(diào)幅器在不同情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)是誤差信號(hào)提取最好是自適應(yīng)前饋功放的重點(diǎn)。如圖4所示，本文采用AD8362檢測(cè)誤差信號(hào)反饋至MCU，MCU接收反饋信息后根據(jù)檢測(cè)到電壓的大小調(diào)節(jié)第一環(huán)移相器與適量調(diào)幅器，當(dāng)調(diào)節(jié)到檢測(cè)到的電壓最小時(shí)便是最好的電路參數(shù)。從而得到最純凈的誤差信號(hào)。

3 誤差信號(hào)提取的仿真
    為了對(duì)該前饋系統(tǒng)改進(jìn)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，本節(jié)通過對(duì)改進(jìn)前后的誤差提取環(huán)路進(jìn)行仿真，通過對(duì)仿真結(jié)果的比較可以看出本文對(duì)自適應(yīng)前饋功放的優(yōu)化。
    圖5是將無自適應(yīng)前饋系統(tǒng)抵消狀態(tài)與有了自適應(yīng)的前饋系統(tǒng)的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，可以看出來在改進(jìn)前誤差提取信號(hào)不純凈，主信號(hào)功率比較大。改進(jìn)后主信號(hào)已經(jīng)差不多被完全抵消，與三階互調(diào)信號(hào)功率相近。

    在誤差信號(hào)提取純凈后，即可進(jìn)行第二環(huán)抵消，通過調(diào)節(jié)第二環(huán)移相器和矢量調(diào)幅器以使整個(gè)前饋系統(tǒng)1MD3達(dá)到最優(yōu)。圖6是GSM125W前饋系統(tǒng)第二環(huán)抵消仿真結(jié)果。

4 結(jié)語
    本文提出的基于最小功率檢測(cè)的自適應(yīng)前饋功放經(jīng)過仿真驗(yàn)證，可以通過AD8362將檢測(cè)到的信號(hào)功率傳遞到MCU，單片機(jī)通過檢測(cè)的功率值調(diào)節(jié)移相器和矢量調(diào)幅器，當(dāng)檢測(cè)到最小功率時(shí)即是誤差提取最純凈的時(shí)候。并對(duì)誤差提取環(huán)路電路做了一些改進(jìn)。該電路在用于前饋系統(tǒng)中可以確保第一環(huán)抵消一直最好。從而解決了整個(gè)前饋抵消環(huán)路不同功率和頻點(diǎn)兼顧的問題。