一種用于射頻功率放大器的新型預(yù)失真器的設(shè)計

摘要：預(yù)失真技術(shù)是功率放大器線性化的主要技術(shù)之一。分析了傳統(tǒng)預(yù)失真器不能消除其輸出端所產(chǎn)生雙音基頻分量的特點，提出一種新的預(yù)失真器，并利用它改善射頻功率放大器的非線性失真。仿真結(jié)果表明，該方法可以明顯改善射頻功率放大器的三階交調(diào)非線性失真。
關(guān)鍵詞：非線性失真；射頻功率放大器；消基頻；預(yù)失真器；ADS

O 引言
    射頻功率放大器是距離最靠近發(fā)射天線的重要一環(huán)，被廣泛應(yīng)用與各種無線發(fā)射設(shè)備中。射頻功率放大器的指標(biāo)主要有：線性度、效率、噪聲系數(shù)等，其中最關(guān)心的是其線性度和效率。隨著無線用戶數(shù)目的增多，寬帶通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，通信頻段變得越來越擁擠，為在有限的頻譜范圍內(nèi)容納更多的通信信道，需采用頻譜利用率更高的調(diào)制技術(shù)。但由于放大器的非線性，信號的包絡(luò)波動會產(chǎn)生非線性失真。這就對射頻功率放大器的線性度提出了更高的要求。
    傳統(tǒng)的改善射頻功率放大器非線性失真的方法有：前饋、負(fù)反饋和預(yù)失真。前饋線性化技術(shù)需要額外的輔助功率放大器和較復(fù)雜的控制電路且體積大、價格昂貴。負(fù)反饋技術(shù)的方法降低了放大器的增益，且只能使放大器在很窄的頻帶內(nèi)穩(wěn)定工作，僅適用于窄帶通信系統(tǒng)。預(yù)失真技術(shù)是目前最常用的線性化技術(shù)之一。其電路實現(xiàn)簡單、工作穩(wěn)定、成本低、工作頻帶寬、易于集成且直流功率高。本文將介紹一種新型預(yù)失真器的設(shè)計方案，并運用ADS2008U1對電路進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，該方案能夠很好地改善功率放大器的非線性失真。

1 預(yù)失真線性化技術(shù)的工作原理
    預(yù)失真是在功率放大器前端增加一個非線性電路用于補償功率放大器的非線性失真，基本原理如圖1所示。預(yù)失真器實質(zhì)上就是一個非線性發(fā)生器，通過控制非線性發(fā)生器，使其輸出與射頻放大器的非線性特性在幅度上相同、相位上相反，來抵消射頻功率放大器的非線性，從而提高功放的線性度，使功放獲得線性化輸出。根據(jù)預(yù)失真器所處的位置，可將預(yù)失真技術(shù)分為射頻預(yù)失真、中頻預(yù)失真和基頻預(yù)失真三類，本文主要討論射頻預(yù)失真技術(shù)。

    傳統(tǒng)的預(yù)失真技術(shù)的原理框圖，如圖2所示。


    它的不足之處在于，當(dāng)輸入信號進(jìn)入預(yù)失真器之后，在其輸出端不僅有用來補償射頻功放非線性特性的非線性失真信號，而且還有殘余的基頻分量，根據(jù)預(yù)失真技術(shù)的原理可知，這部分殘余基頻信號是與射頻功放中的基頻信號相位相反的。故在改善功放非線性特性的同時，其輸出功率也受到一定程度的削弱。

2 新型預(yù)失真器的設(shè)計
    本文采用一種電橋形式的同向平行二極管對預(yù)失真器，預(yù)失真模型見圖3。


2．1 預(yù)失真器模型
    用90°電橋網(wǎng)絡(luò)來完成信號的處理和匹配功能，電橋0°通路上的電容可補償二極管對的電抗分量，彌補相位失真。采用90°電橋還可以保持輸入／輸出阻抗特性的良好匹配。
2．2 非線性輸出分析
    設(shè)在預(yù)失真器輸入端加等幅的雙音信號vi：
  
    式中：A為雙音信號的幅度；ω1，ω2為雙音信號的頻率。設(shè)預(yù)失真器的非線性傳輸系數(shù)為y=f(x)，輸出為v0，即v0=f(vi)。將其展成冪級數(shù)形式為：
  
    由上式可知：在預(yù)失真器的輸出信號中，不僅有基頻信號，還有各次諧波及各種交調(diào)信號。其中，需要的是三階交調(diào)失真分量，這里產(chǎn)生的基頻分量對設(shè)計來說可稱為“干擾信號”，必須設(shè)計電路將此基頻信號消除。
2．3 新型預(yù)失真器的設(shè)計
    針對預(yù)失真器輸出端有系統(tǒng)不需要的基頻信號的問題，在此將設(shè)計一種新型的預(yù)失真器，用于消除該基頻信號，電路原理圖見圖4。輸入的等幅雙音信號由3 dB功分器等分成兩路，一路信號進(jìn)入預(yù)失真器，另一路信號由延遲器延遲后，進(jìn)入增益／相位調(diào)節(jié)器。延遲主要為了讓進(jìn)入增益／相位調(diào)節(jié)器的信號與進(jìn)入預(yù)失真器的信號同步。其中，增益／相位調(diào)節(jié)器由可調(diào)衰減器和可調(diào)移相器級聯(lián)而成，其作用是為了得到具有適當(dāng)幅度和相位的基頻信號。此外，預(yù)失真器的輸出端將包含基頻在內(nèi)的一系列非線性失真分量，經(jīng)適當(dāng)延遲后，與增益／相位調(diào)節(jié)器的輸出信號一起被送進(jìn)功率合成器。通過控制衰減器的衰減量和移相器的相位來產(chǎn)生與預(yù)失真器輸出信號中所包含的基頻信號具有相同幅度、相反相位的信號，用來抵消預(yù)失真器所產(chǎn)生的基頻分量。在功率分配器輸出端得到的信號就是需要的三階交調(diào)失真信號。


2．4 預(yù)失真器仿真分析
    在安捷倫公司的ADS2008U1中完成電路仿真模型的搭建，仿真電路如圖4所示加入等幅雙音信號，其頻率分別為940 MHz和950 MHz。對電路進(jìn)行諧波平衡(HB)仿真分析，得到預(yù)失真器輸出信號頻譜如圖5，圖6所示。

      


    圖5為傳統(tǒng)預(yù)失真器的仿真結(jié)果，圖6為加了消基頻電路后的仿真結(jié)果。經(jīng)比較可看出加了消基頻電路之后，預(yù)失真器輸出端的信號中基頻分量減少了40 dBc。

3 預(yù)失真功率放大器的設(shè)計與仿真
3．1 設(shè)計指標(biāo)及預(yù)失真功放電路的搭建
    預(yù)失真器射頻功率放大器的性能指標(biāo)：工作頻段為900 MHz～1 GHz；輸出功率大于等于13．4 dBm；三階交調(diào)改善大于等于40．2 dBc。仿真時使用的是一個封裝好功放模塊，該模塊內(nèi)包含功率管MRF9742和直流偏置電路及輸入／輸出匹配電路等，預(yù)失真功放電路如圖7所示。


3．2 射頻功放仿真結(jié)果
    仿真結(jié)果如圖8，圖9所示。

       


    其中圖8是沒加預(yù)失真器時功放的輸出頻譜，圖9是加了預(yù)失真器后的功率放大器的輸出頻譜。

4 結(jié)論
    本文設(shè)計了一種帶消基頻的預(yù)失真器，并把此預(yù)失真器用于改善射頻功率放大器的非線性失真。仿真結(jié)果表明，利用本文設(shè)計的預(yù)失真器可明顯補償傳統(tǒng)預(yù)失真器的不足，并且可以抑制射頻功率放大器的三階交調(diào)失真分量達(dá)40 dBc以上。本文有待改進(jìn)之處在于，可以利用自適應(yīng)方法來控制電路中可調(diào)移相器和衰減器，通過檢測輸出信號中的三階交調(diào)失真分量的比例，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)衰減器和移相器，這樣可以更好地改善射率放大器的非線性失真。