自適應(yīng)前饋射頻功率放大器設(shè)計

1.引言

　　現(xiàn)代無線通信的迅猛發(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提高傳輸功率和利用效率；另一方面，無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)致輸出信號的互調(diào)失真。因此，在設(shè)計射頻功率放大器時，必須對其進(jìn)行線性化處理，以便使輸出信號獲得較好的線性度。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，成為了改善寬帶信號線性度時所采用的主要技術(shù)。本文首先簡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，并通過信號包絡(luò)檢測技術(shù)提取出帶外信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到改善輸出信號線性度的目的。

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、延時線1、合成器1組成。輸入的RF信號，即2個純凈的載波信號，經(jīng)功分器后被分成兩支路信號：上分支路為主功率放大器支路，純凈的RF載波信號經(jīng)過該支路后產(chǎn)生放大后的載波信號和互調(diào)失真信號；下分支路為附支路，純凈的RF載波信號經(jīng)過該支路后被延時，主功率放大器支路輸出的非線性失真信號經(jīng)衰減器1和相移器1后，與附支路輸出的信號在合成器1中合成，調(diào)節(jié)衰減器1和相移器1使兩支路信號獲得相等的振幅，180'相位差以及相等的延遲。這時，就能有效地抵消主功率放大器支路的RF載波信號，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。因此，這一環(huán)路又稱為RF載波信號消除環(huán)路。

　　環(huán)路2，也叫失真信號消除環(huán)路，由延時線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延時后送人耦合器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輸出的信號中互調(diào)失真信號最小，也就是IMD最小，則此時輸出的信號就是放大的性的射頻信號。

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)中對載波信號的抵消要求很高，內(nèi)外界環(huán)境的變化，諸如：輸入信號功率，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抵消失靈。因此，引入自適應(yīng)技術(shù)，以便能及時獲得載波信號在振幅，相位以及延時上的匹配，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個環(huán)路構(gòu)成：環(huán)路1主要用于提取互調(diào)失真信號，環(huán)路2主要用于消除失真信號，而環(huán)路3則主要用于檢測互調(diào)失真信號功率。

　　設(shè)輸入信號為υin(t)，經(jīng)主放大器后的輸出信號為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，將主放大器簡化為一個無記憶的非線性模型，則其AM／AM及AM／PM傳遞函數(shù)就可以簡單的用復(fù)電壓增益G(χ)來表示，其中χ代表瞬時功率，那么從矢量合成器1輸出的信號υα(t)就可以表示為：

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

　　進(jìn)入環(huán)路2的互調(diào)失真信號經(jīng)過輔助放大器放大，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)過延時線2的主放大器輸出信號在合成器2中合成。該環(huán)路對互調(diào)失真信號的振幅及相位調(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，但在實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)上，卻與環(huán)路1不同，環(huán)路1是通過直接檢測合成器1的輸出信號來判定RF載波信號是否被抵消到最小值，而環(huán)路2在判定互調(diào)失真信號是否被抵消到最小值時，卻需要引入第三個環(huán)路。

　　我們知道，對于相同功率的輸出信號，線性信號的包絡(luò)要大于非線性信號的包絡(luò)，而二者的包絡(luò)差值信號就是互調(diào)失真信號，最大限度減小其包絡(luò)差值信號，就能最大程度地改善輸出信號的線性度，從而減小IMD。環(huán)路3的工作原理正在于此。他處理的兩路信號一路是線性信號，即經(jīng)過延時線3及功分器4的RF載波信號，另一路是非線性信號，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。首先，環(huán)路對兩路信號的合成信號進(jìn)行功率檢測，并調(diào)節(jié)矢量調(diào)制器3，直到檢測到的功率最小，這時，就可以認(rèn)為線性信號與非線性信號具有了相同的載波輸出功率。而后，再對兩路信號分別進(jìn)行包絡(luò)檢測，提取包絡(luò)差值信號，將此包絡(luò)差值信號作用于矢量調(diào)制器2，即不斷調(diào)節(jié)小最終使帶外互調(diào)失真信號減至最小，這時就會獲得高線性度的輸出信號。

3．2 計算機仿真

    應(yīng)用一個峰值功率為180W的LDMOS場效應(yīng)晶體管在計算機仿真系統(tǒng)上設(shè)計了一個25 W的功率放大器，并對其輸入兩個頻率間隔為1MHz的載波信號，用以產(chǎn)生三階及五階互調(diào)失真信號。圖3為在未采用自適應(yīng)前饋技術(shù)時信號的輸出情況。此時IMD3只能達(dá)到-55dBc左右，IMD5只能達(dá)到-56dBc左右，而圖4則是采用該項技術(shù)后信號的輸出情況。此時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。

4.結(jié)束

　　本文采用自適應(yīng)前饋技術(shù)并給合包絡(luò)檢測技術(shù)來設(shè)計射頻功率放大器。由于該項技術(shù)考慮到實際中可能遇到的問題，從而對復(fù)雜問題進(jìn)行簡化，不僅從理論上，而且從實踐上證實了他的可實現(xiàn)性。

　　計算機模擬仿真試驗表明：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，對該項技術(shù)的應(yīng)用還有待進(jìn)一步加強。