一種二次混頻預(yù)失真線性化技術(shù)

隨著現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，對通信系統(tǒng)容量和效率提出了越來越高的要求，使得高線性射頻功率放大器成為當(dāng)今通信新技術(shù)領(lǐng)域中的一個重要研究課題。當(dāng)前射頻功率放大器的線性化技術(shù)主要有前饋型、反饋型和預(yù)失真型等3種。他們結(jié)構(gòu)不同、各具特色。前饋型具有性能指標(biāo)高、線性化效果好、有效帶寬大等優(yōu)點，但由于存在對幅度和相位變化靈敏度過高的問題，使得系統(tǒng)的線性化效果會隨著溫度、電壓和功率等因素的變化而變化。反饋型采用了傳統(tǒng)的負反饋放大器原理，具有結(jié)構(gòu)簡單、方式多樣、成本低廉等優(yōu)點，但其對線性度改善效果一般，且不適合工作于寬帶系統(tǒng)。相對于前兩種線性化技術(shù)，預(yù)失真技術(shù)具有電路結(jié)構(gòu)簡單、工作絕對穩(wěn)定等優(yōu)點，可適用于寬帶系統(tǒng)，故是一種具有應(yīng)用前景的線性化技術(shù)。

預(yù)失真型線性化技術(shù)的線性化效果主要取決于預(yù)失真器的特性。雖然由于技術(shù)的限制，目前還未能達到理想的線性化效果，但從長遠發(fā)展來看，預(yù)失真技術(shù)存在巨大的發(fā)展?jié)摿?。在傳統(tǒng)的預(yù)失真基礎(chǔ)上，文章提出一種新的預(yù)失真型線性化功率放大器電路，與傳統(tǒng)的預(yù)失真型電路相比，其不同之處在于引入一種二次混頻預(yù)失真器，相比于其他的預(yù)失真器，這種預(yù)失真技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、對功放增益的影響小等優(yōu)點。其非線性失真信號通過二次混頻產(chǎn)生，在較低的功率條件下可以產(chǎn)生較大的失真信號分量，因此不需要輔助放大器等額外器件。本文首先介紹其電路結(jié)構(gòu)和原理，再從理論上分析其主要特性，最后利用專用的微波電路仿真工具進一步驗證。

2 預(yù)失真線性化原理

從原理上看，預(yù)失真線性化技術(shù)可能是改進線性特性的最簡單的一項技術(shù)。文章采用的預(yù)失真電路原理框圖如圖1所示，即在RF放大器的前面加入一個預(yù)失真器，預(yù)失真器的非線性特性剛好與RF放大器的非線性特性剛好相反，信號輸入端為_個功率分配器，他將輸入信號分成2路，上一路通過一個相位延時器；下一路送入預(yù)失真器。信號通過預(yù)失真器生成非線性失真分量，即預(yù)失真信號。這一信號經(jīng)過相移器和衰減器送入定向耦合器，與原輸入信號進行混合，生成含有預(yù)失真分量的混合信號。該混合信號最后送到主放大器進行放大。由于混合信號中的非線性分量與由主放大器非線性所產(chǎn)生的非線性分量，在幅度上相等、相位上相反，從而抵消了輸出信號中的非線性失真分量，這樣就對RF放大器的輸出進行一定的補償，使得輸出信號為基本無失真信號，達到線性化的目的。這種補償原理如圖2所示。當(dāng)信號經(jīng)過預(yù)失真器、延時器和RF放大器組成系統(tǒng)時，由于預(yù)失真器與RF放大器的相反的非線性特性，從而使得預(yù)失真部分的非線性和主放大部分的傳輸特性抵消，整體呈線性輸出。

3 特性分析

3.1 放大器輸出特性

當(dāng)放大器工作在非線性區(qū)內(nèi)時，不考慮放大器的記憶效應(yīng)，其非線性可用無窮項冪級數(shù)來描述：

其中，Vin為放大器的輸入信號，Vout是其輸出信號。

若輸入為等幅雙音信號：Vin=Vcosω1t十Vcosω2t，則非線性放大器的輸出可以表示為：

由于高階系數(shù)隨階次的增加而迅速減小，故可忽略不計；頻率為ω1+ω2，2ω1，2ω2，2ω1+ω2，ω1+2ω2等分量落在帶外，將被帶通濾波器濾除，故可不予考慮。而頻率為2ω1-ω2，2ω2-ω1(三階交調(diào)分量)，3ω1-2ω2，3ω2-2ω1(五階交調(diào)分量)將落在通帶內(nèi)，不會被帶通濾波器濾除，故為放大器產(chǎn)生的主要的非線性分量。因為三階交調(diào)對功放的影響最大，此處僅對三階交調(diào)分量進行討論，由此可將式(2)化簡為：

式中第一項是直流分量；第二項顯然是與輸入信號成線性關(guān)系的有用信號；第三項為三階交調(diào)分量，即為非線性失真的產(chǎn)物。

3.2 預(yù)失真器電路結(jié)構(gòu)和輸出特性

預(yù)失真器主要由兩個混頻器組成，如圖3所示，信號通過混頻器可使主信號產(chǎn)生倍頻及差頻信號，將這路信號與主信號送人混頻器生成非線性失真分量，即預(yù)失真信號。

在圖3中，輸入信號ω1和ω2經(jīng)過混頻器Mixerl，根據(jù)混頻器的原理，即產(chǎn)生混頻信號2ω1，2ω2和ω1-ω2，與耦合出來的主信號同時送入混頻器Mixer2，一個送入LO端，一個送入IF端，則輸出為LO與IF信號的和與差，RF端輸出就得到了2ω1-ω2，2ω2-ω1，ω1，ω2。可見，預(yù)失真器輸出的信號中，產(chǎn)生了非線性分量，其中2ω1-ω2，2ω2-ω1，就是我們需要的預(yù)失真信號分量。

3.3 線性化輸出特性

預(yù)失真型線性化功率放大器電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。信號輸入端為一個功率分配器，他將輸入信號分成2路，上一路通過一個相位延時器、并經(jīng)過一個功率合成器送入主放大器；下一路送人預(yù)失真器，經(jīng)過相移器和衰減器送入功率合成器，與上路信號進行混合后，一起送入主放大器進行放大。上一路，通過延時器，得到信號Vup；下一路，通過(IM3產(chǎn)生器)、衰減器和移相器，得到信號Vlow：

其中α1是功分器、延時器對信號的相移量；α3是功分 器、非線性產(chǎn)生器，衰減器和移相器對信號的相移量。上下兩路信號合并后再進入主放大器。

4 軟件仿真和結(jié)果

為了進一步驗證這種預(yù)失真線性化技術(shù)的特性，借助于微波電路專用仿真軟件ADS對電路進行仿真。在計算機仿真系統(tǒng)上設(shè)計了一個2.6 GHz頻段的功率放大器，用中心頻率為2.6 GHz、頻率間隔為2 MHz的雙音信號進行仿真得到圖5所示的結(jié)果。從圖5中可以看出，在加入2次混頻預(yù)失真器前，3階IMD大約為26.1 dBc，即出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的非線性失真。構(gòu)建與圖4相同的系統(tǒng)仿真電路。通過反復(fù)、適當(dāng)調(diào)整衰減器、移相器和延遲線的時間延遲量，可獲得系統(tǒng)的最后輸出信號的頻譜圖，如圖6所示。通過與圖5相比較可見，經(jīng)過預(yù)失真線性化處理后，原輸出信號中的IMD3接近65.3 dBc，三階交調(diào)改善了39 dB左右。

5 結(jié) 語

文章從理論上分析了射頻功率放大器失真產(chǎn)生的根本原因，論證了2次混頻預(yù)失真器的可行性，并通過計算機仿真證明了前面的理論分析。理論分析和實驗證明了這種2次混頻預(yù)失真器的線性化技術(shù)能夠有效地改善功率放大器的非線性失真。通過分析可以看出，這種線性化技術(shù)僅考慮到了IMD3，今后將基于這種技術(shù)進一步改善高階互調(diào)。