射頻功率放大器的新型預(yù)失真器的設(shè)計(jì)

0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(hào)的包絡(luò)波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生非線性失真。這就對(duì)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(jià)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(jì)方案， 并運(yùn)用ADS2008U1 對(duì)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(gè)非線性電路用于補(bǔ)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(shí)質(zhì)上就是一個(gè)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)。



圖1 預(yù)失真原理圖。

傳統(tǒng)的預(yù)失真技術(shù)的原理框圖， 如圖2 所示。



圖2 傳統(tǒng)預(yù)失真方法圖示。

它 的不足之處在于， 當(dāng)輸入信號(hào)進(jìn)入預(yù)失真器之后， 在其輸出端不僅有用來補(bǔ)償射頻功放非線性特性的非線性失真信號(hào)， 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(hào)是與射頻功放中的基頻信號(hào)相位相反的。故在改善功放非線性特性的同時(shí)， 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(jì)

本文采用一種電橋形式的同向平行二極管對(duì)預(yù)失真器，預(yù)失真模型見圖3。



圖3 預(yù)失真器模型。

2. 1 預(yù)失真器模型

用90電橋網(wǎng)絡(luò)來完成信號(hào)的處理和匹配功能， 電橋0通路上的電容可補(bǔ)償二極管對(duì)的電抗分量， 彌補(bǔ)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(hào)vi :



式中: A 為雙音信號(hào)的幅度; 1 ， 2 為雙音信號(hào)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vo ，即vo = f ( vi) 。將其展成冪級(jí)數(shù)形式為:



由上式可知: 在預(yù)失真器的輸出信號(hào)中， 不僅有基頻信號(hào)， 還有各次諧波及各種交調(diào)信號(hào)。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(duì)設(shè)計(jì)來說可稱為“干擾信號(hào)”， 必須設(shè)計(jì)電路將此基頻信號(hào)消除。

2. 3 新型預(yù)失真器的設(shè)計(jì)

針 對(duì)預(yù)失真器輸出端有系統(tǒng)不需要的基頻信號(hào)的問題， 在此將設(shè)計(jì)一種新型的預(yù)失真器， 用于消除該基頻信號(hào)， 電路原理圖見圖4。輸入的等幅雙音信號(hào)由3 dB功分器等分成兩路，一路信號(hào)進(jìn)入預(yù)失真器， 另一路信號(hào)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(hào)與進(jìn)入預(yù)失真器的信號(hào)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(jí)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(hào)。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(hào)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(hào)中所包含的基頻信號(hào)具有相同幅度、相反相位的 信號(hào)，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(hào)就是需要的三階交調(diào)失真信號(hào)。



圖4 帶消基頻的預(yù)失真器電路。

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(hào)， 其頻率分別為940 MHz 和950 MHz。對(duì)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(hào)頻譜如圖5， 圖6 所示。



圖5 傳統(tǒng)預(yù)失真器輸出頻譜。

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(hào)中基頻分量減少了40 dBc。



圖6 改進(jìn)后的預(yù)失真器輸出頻譜。

3 預(yù)失真功率放大器的設(shè)計(jì)與仿真

3. 1 設(shè)計(jì)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(shí)使用的是一個(gè)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。



圖7 預(yù)失真射頻功放電路。

3. 2 射頻功放仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖8， 圖9 所示。



圖8 沒加預(yù)失真器的PA 輸出頻譜。


圖9 加預(yù)失真器后的PA 輸出頻譜。

其中圖8 是沒加預(yù)失真器時(shí)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(jì)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(jì)的預(yù)失真器可明顯補(bǔ)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(cè)輸出信號(hào)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。