微波功率放大器的線性化設(shè)計(jì)及實(shí)踐研究

甄建勇

摘 要：國(guó)內(nèi)外常用的微波功率放大器的線性化方法包括：前饋法、功率回退法、預(yù)失真法、LINC法等。

關(guān)鍵詞：微波功率放大器；線性化設(shè)計(jì)；實(shí)踐研究

近幾年來(lái)，功放線性化的開發(fā)設(shè)計(jì)吸引了國(guó)內(nèi)外的科研單位、高等院校、通訊公司等關(guān)注。例如，國(guó)外Optichron公司推出的第一款商業(yè)應(yīng)用的數(shù)字預(yù)失真設(shè)備，這款數(shù)字預(yù)失真設(shè)備的兼容性比較高，可以應(yīng)用在Doherty功放的配置、AB類放大器，并支持各種調(diào)制方式；這款數(shù)字預(yù)失真設(shè)備開發(fā)設(shè)計(jì)與實(shí)踐不需要程序編寫，更不需要外部處理器配置，盡管相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但其信息采樣率能達(dá)到每秒2.5億樣本，能提供16位的信號(hào)分辨率。TI公司的產(chǎn)品GC5322包含了預(yù)失真處理和消峰算法，這款產(chǎn)品采用限幅器完成增益的自適應(yīng)調(diào)整，然后通過(guò)內(nèi)插采樣模塊、功率測(cè)量模塊完成信號(hào)的預(yù)失真處理。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)微波功放線性化的研究大多停留在算法仿真與驗(yàn)證階段，由于高階調(diào)制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，研究者對(duì)功放線性化關(guān)注越來(lái)越高，一些高校和公司等都在這方面進(jìn)行研發(fā)工作，并取得了一些成就，例如單頻和雙頻數(shù)字預(yù)失真新技術(shù)和新模型。

一、功放線性化的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）功率回退法的設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究

一種最常用的線性方法為功率回退法，這種方法選擇輸出功率比較大的功放管子替代小管子來(lái)實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用，使功率放大器的輸出功率從P1dB壓縮點(diǎn)回退幾個(gè)分貝，讓功率放大器的輸出功率離飽和區(qū)較遠(yuǎn)，從而改善放大器的三階交調(diào)系數(shù)，達(dá)到線性化目的。功率回退法的原理示意圖見(jiàn)圖1。

由于功率回退法的實(shí)現(xiàn)方式較為簡(jiǎn)單，不需要再增加外圍電路，操作較方便，但是其潛在的缺點(diǎn)是放大器的功率較低，且可以改進(jìn)的范圍受到限制，放大器的線性度是以犧牲直流功耗來(lái)得到的。

（二）負(fù)反饋法的設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究

近年來(lái)，常用提高微波功放線性的辦法為負(fù)反饋法，可以應(yīng)用到低頻段，不過(guò)負(fù)反饋法是通過(guò)犧牲放大器的增益來(lái)實(shí)現(xiàn)壓縮失真訊號(hào)的目的。從原理上分析，它將功率放大器的非線性分量反饋至輸入端口，和原始信號(hào)一塊當(dāng)成放大器的輸入，從而降低非線性，負(fù)反饋法的原理示意圖見(jiàn)圖2。

負(fù)反饋法的優(yōu)點(diǎn)是精度較高，價(jià)格便宜，線性改善可以達(dá)到15～20dB，不過(guò)其實(shí)際上是在犧牲增益的前提下，達(dá)到了壓縮功放非線性的目的，功放產(chǎn)生的失真減少量就是系統(tǒng)的反饋量，從而減少了整個(gè)系統(tǒng)的增益，因此放大器增益要求足夠大。負(fù)反饋法的缺點(diǎn)是它的環(huán)路延時(shí)較大，不適合寬帶功放，同時(shí)它的穩(wěn)定性較差，總體上負(fù)反饋技術(shù)應(yīng)用范圍不廣泛。

（三）前饋法的設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究

上世紀(jì)，國(guó)外學(xué)者Harod S.Black提出了前饋法線性化技術(shù)，它的基本原理是通過(guò)構(gòu)造兩個(gè)完全相同的功率放大器：主放大器和糾錯(cuò)放大器。前饋法通過(guò)從主功放的輸出中減掉糾錯(cuò)放大器的非線性失真信號(hào)，然后得到線性輸出功率。

前饋法線性化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：具有較高的精度，穩(wěn)定度較高，不受帶寬限制，理論上可以全部消除非線性分量。但是前饋系統(tǒng)需要幅度嚴(yán)格一致，缺點(diǎn)是對(duì)通路的相位和延時(shí)要求較高，調(diào)試難度較大，自適應(yīng)效果差，實(shí)現(xiàn)成本高。

（四）LINC法的設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究

LINC法的設(shè)計(jì)原理是把輸入信號(hào)分成兩個(gè)包絡(luò)一樣、相位不同的信號(hào)，用來(lái)代替原始信號(hào)，利用兩個(gè)非線性放大器單獨(dú)放大，再進(jìn)行功率合成。

LINC技術(shù)對(duì)功放非線性改善較為明顯，效率高，但它對(duì)兩個(gè)放大器的一致性要求很高，而且當(dāng)器件老化、溫度漂移等因素變化時(shí)自適應(yīng)能力差。該方法復(fù)雜度較大，應(yīng)用范圍不廣泛。

（五）預(yù)失真法的設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究

預(yù)失真技術(shù)是改善功放給線性失真較好的方法，它是在功放前端的基帶單元構(gòu)建一個(gè)數(shù)字預(yù)失真器，由非線性模塊實(shí)現(xiàn)，它的非線性特性和功放的非線性特性相反，用來(lái)抵消功放的非線性失真，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的線性放大。

預(yù)失真技術(shù)分為射頻預(yù)失真和數(shù)字預(yù)失真。采用模擬器件和電路實(shí)現(xiàn)射頻預(yù)失真，優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用成本較低，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便高頻使用，缺點(diǎn)是因?yàn)樾枰褂梅蔷€性射頻元件，頻譜再生分量改善較少，線性指標(biāo)低。

數(shù)字預(yù)失真在基帶單元進(jìn)行信號(hào)處理，采用FPGA和DSP實(shí)現(xiàn)預(yù)失真算法處理和功放非線性參數(shù)提取，硬件電路簡(jiǎn)單，具有自適應(yīng)功能，不受頻率、寬帶、溫度變化的影響，穩(wěn)定性好，線性度改善較高。

二、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外常用的微波功率放大器的線性化方法例如前饋法、功率回退法、預(yù)失真法、LINC法等的研究，對(duì)未來(lái)微波功率放大器的線性化的設(shè)計(jì)提供了幫助，更為微波功率放大器的線性化的實(shí)踐奠定了基礎(chǔ)，為科研工作者和公司也提供了新的契機(jī)。運(yùn)用現(xiàn)有微波功率放大器的線性化方法例如前饋法、功率回退法、預(yù)失真法、LINC法的成果優(yōu)點(diǎn)，并將優(yōu)點(diǎn)相互聯(lián)合，克服存在的缺點(diǎn)，為微波功率放大器的線性化方法的設(shè)計(jì)提供了新的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊小海.基于FPGA的射頻功放數(shù)字預(yù)失真技術(shù)平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)[D].杭州電子科技大學(xué)，2010.