無線通信射頻功率放大器線性化技術(shù)研究

摘 ?要：在整個(gè)無線通信系統(tǒng)中，射頻功率放大器是不可或缺的器件。本文從改善射頻功率放大器線性化的領(lǐng)域出發(fā)，來解決功率放大器的線性和效率存在的矛盾問題。文章首先介紹了射頻功率放大器本身固有的失真特性以及線性和效率之間存在的矛盾關(guān)系，然后闡述了幾種常用的射頻功率放大器線性化技術(shù)，分析了各種線性化技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無線通信;射頻功率放大器;工作效率;功放線性化技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN722.75 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）12-0053-03

Abstract：In the whole wireless communication system，RF power amplifier is an indispensable device. In order to solve the contradiction between linearity and efficiency of RF power amplifier，this paper starts from the field of improving linearization of RF power amplifier. Firstly，the inherent distortion characteristics of RF power amplifier and the contradiction between linearity and efficiency are introduced. Then several commonly used linearization techniques of RF power amplifier are described，and the advantages and disadvantages of various linearization techniques are analyzed.

Keywords：wireless communication;radio frequency power amplifier;work efficiency;power amplifier linearization technology

0 ?引 ?言

近些年來，無線通信發(fā)展迅猛，無線移動(dòng)通信經(jīng)過了近五十年的不斷完善和推陳出新，時(shí)至今日已經(jīng)歷經(jīng)了五個(gè)技術(shù)時(shí)代，當(dāng)下正處于第四代移動(dòng)通信向第五代移動(dòng)通信過渡的關(guān)鍵階段。在無線移動(dòng)通信高速發(fā)展的當(dāng)下，射頻功率放大器在手機(jī)通信業(yè)務(wù)、軍事指揮系統(tǒng)、廣播電視、儀器儀表和航空航天等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

1 ?射頻功率放大器效率和線性之間的矛盾關(guān)系

射頻功率放大器由于其核心器件是半導(dǎo)體元器件，因此其自身存在著固有的非線性。功率放大器的非線性曲線圖如圖1所示。

由圖1可以看出，當(dāng)功率放大器的輸入功率較小時(shí)，輸出功率和輸入功率呈線性關(guān)系，輸出功率和輸入功率的比值是一個(gè)常數(shù)，其比值曲線是一條直線;隨著輸入功率的不斷增加，輸出功率和輸入功率的比值不再是一個(gè)常數(shù)，而是隨著輸入功率的不斷增加而慢慢減小，輸出功率與輸入功率的比值曲線也呈現(xiàn)出了非線性，呈一條逐漸傾向平緩的曲線狀。

通過對(duì)射頻功率放大器非線性曲線圖的分析可以看出，射頻功率放大器的線性和效率呈現(xiàn)出了一個(gè)反比的關(guān)系。

當(dāng)射頻功率放大器工作在線性區(qū)，經(jīng)過功率放大器放大后的功放輸出信號(hào)與原始的功放輸入信號(hào)呈線性倍數(shù)關(guān)系，沒有產(chǎn)生其他分量和非線性失真。但是由于此時(shí)輸入信號(hào)功率較低，功率放大器的放大倍數(shù)也很低，射頻功率放大器的效率很低，往往無法達(dá)到無線通信系統(tǒng)的要求，需要多個(gè)功率放大器進(jìn)行多級(jí)放大，從而造成了很大的資源浪費(fèi)和效率浪費(fèi)。

考慮到無線通信系統(tǒng)對(duì)射頻功率放大器的效率要求，需要讓射頻功放工作在飽和區(qū)，但通過對(duì)圖1的分析可以看出，當(dāng)功率放大器工作在飽和區(qū)時(shí)，產(chǎn)生了較大的非線性失真，使得接收機(jī)沒有辦法還原出原始的發(fā)射信號(hào)，導(dǎo)致整個(gè)無線通信系統(tǒng)傳輸失敗。

2 ?射頻功率放大器的非線性失真

2.1 ?射頻功率放大器的靜態(tài)非線性失真

射頻功率放大器的靜態(tài)非線性失真主要考慮射頻功放工作在飽和區(qū)時(shí)產(chǎn)生了其他分量而造成的諧波失真和互調(diào)失真。

2.1.1 ?射頻功率放大器的諧波失真

射頻功率放大器的諧波失真是指通過功放放大后的信號(hào)，除了含有原有的基波信號(hào)，還包括了基波分量的倍頻信號(hào)。

不同于諧波失真，互調(diào)失真是影響功率放大器線性度的一個(gè)主要因素。諧波失真產(chǎn)生的倍頻信號(hào)距離基波信號(hào)較遠(yuǎn)，往往可以通過濾波器直接濾除掉失真干擾信號(hào)，只保留有用的基波信號(hào)?；フ{(diào)失真產(chǎn)生的干擾信號(hào)，通常是兩個(gè)頻率的混疊或者差值，距離基波頻率往往很近，因此不能使用濾波器直接濾除的簡單方法?；フ{(diào)失真是造成帶外失真和帶外干擾的主要因素，會(huì)造成較大的鄰信道干擾，從而大大影響無線通信系統(tǒng)的質(zhì)量。因此，需要特定的射頻功率放大器線性化技術(shù)來解決互調(diào)失真這一問題。

2.2 ?射頻功率放大器的動(dòng)態(tài)非線性失真

射頻功率放大器的動(dòng)態(tài)非線性失真又被稱為射頻功放的記憶效應(yīng)，所謂的記憶效應(yīng)就是指射頻功率放大器的輸出信號(hào)不僅與此時(shí)的輸入信號(hào)有關(guān)，還和之前的輸入信號(hào)存在著某種聯(lián)系，之前的輸入信號(hào)與現(xiàn)在的輸入信號(hào)共同影響著當(dāng)前的輸出。

射頻功率放大器的動(dòng)態(tài)非線性失真往往是由于內(nèi)部元器件和匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗電抗等引起的。按照生成的原因不同，射頻功率放大器的動(dòng)態(tài)非線性失真可以分為熱效應(yīng)和電效應(yīng)。

射頻功率放大器的熱記憶效應(yīng)又根據(jù)內(nèi)部和外部因素分為了短時(shí)間的熱記憶效應(yīng)和長時(shí)間的熱記憶效應(yīng)。短時(shí)間的熱記憶效應(yīng)是由于晶體管溫度的變化跟不上工作頻率的變化而產(chǎn)生的一種動(dòng)態(tài)非線性失真。長時(shí)間的記憶效應(yīng)是由于晶體管工作時(shí)的內(nèi)部散熱和外界環(huán)境對(duì)功率放大器半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的影響從而造成的動(dòng)態(tài)非線性失真。

功放的電效應(yīng)產(chǎn)生的原因是儲(chǔ)能元器件和偏執(zhí)電路以及匹配網(wǎng)絡(luò)造成的干擾疊加在了直流分量上造成的失真。

3 ?射頻功率放大器的線性化技術(shù)

為了解決無線通信系統(tǒng)中射頻功率放大器的線性度和效率之間的矛盾關(guān)系，保證功放工作在高效率的飽和區(qū)時(shí)也具有較高的線性度，從而保證整個(gè)無線通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，對(duì)射頻功率放大器的線性化技術(shù)的研究顯得尤為重要。

3.1 ?功率回退技術(shù)

功率回退技術(shù)的原理比較簡單，為了滿足較高的線性度，降低輸入信號(hào)的功率，強(qiáng)行使得功率放大器回退到線性區(qū)。毫無疑問這種方法以犧牲效率為代價(jià)來提高功率放大器的線性度，無法同時(shí)滿足高效率和高線性，較低的效率會(huì)造成效率浪費(fèi)和成本浪費(fèi)，是一種很不經(jīng)濟(jì)的方法。通常功率回退技術(shù)被用于具有高效率和高峰值功率的功率放大器中，把輸入信號(hào)功率降低至1dB壓縮工作點(diǎn)，從而達(dá)到較高的線性度，同時(shí)具有高峰值功率的功率放大器就算回退造成了很多的效率浪費(fèi)但由于其本身的效率較高，回退完之后還是具有較高的工作效率，從而間接的達(dá)到了高效率和高線性度的要求。

3.2 ?前饋技術(shù)

前饋技術(shù)是1929年Harold.S.Black提出的，其基本思想是讓原始輸入信號(hào)通過功率放大器，利用一定的規(guī)律性把失真信號(hào)先提取出來，在功率放大器的輸出信號(hào)端減掉失真干擾信號(hào)，進(jìn)而達(dá)到線性補(bǔ)償?shù)男Ч?。但是前饋技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度很高，失真干擾信號(hào)不易計(jì)算，且前饋技術(shù)的參數(shù)受外界環(huán)境影響較大，需要定期更改，人工成本很高，并不經(jīng)濟(jì)。前饋技術(shù)多用于模擬域，在當(dāng)前大帶寬的環(huán)境下并不受帶寬的影響，值得當(dāng)前功放線性化技術(shù)的借鑒，但是前饋技術(shù)又不適用于當(dāng)前的數(shù)字領(lǐng)域，因此需要不斷借鑒推陳出新。

3.3 ?負(fù)反饋技術(shù)

負(fù)反饋技術(shù)的原理是降低功率放大器的增益來提升功放的線性度，同功率回退技術(shù)一樣，會(huì)造成一定的增益浪費(fèi)和效率浪費(fèi)，因此也是一種不經(jīng)濟(jì)的功放線性化技術(shù)。同時(shí)受延遲效應(yīng)的影響，負(fù)反饋系統(tǒng)不穩(wěn)定，自適應(yīng)能力也較差，限制了該技術(shù)的應(yīng)用。

3.4 ?包絡(luò)跟蹤技術(shù)

包絡(luò)跟蹤技術(shù)是L.R.Kahn在1952年提出的，這種技術(shù)的原理是把包絡(luò)信號(hào)的幅度信號(hào)和相位信號(hào)分離提取出來，相位信息作為待測信號(hào)通過功率放大器進(jìn)行放大，幅度信息作為控制信號(hào)，在相位信息進(jìn)行放大的同時(shí)，幅度信息控制功率放大器的工作電壓，實(shí)時(shí)的降低功放輸出信號(hào)的非線性失真，在相位信息通過功率放大器放大之后，把相位信息和幅度信息再次結(jié)合到一處，從而達(dá)到高線性和高效率的要求。包絡(luò)跟蹤法與反饋技術(shù)和負(fù)反饋技術(shù)相比，穩(wěn)定性、兼容性和實(shí)用價(jià)值都很高，但是這種方法只適用于第三代移動(dòng)通信之前的低峰均比和窄帶數(shù)據(jù)信號(hào)，不再適用于當(dāng)下的高峰均比和大帶寬的信號(hào)。

3.5 ?預(yù)失真技術(shù)

預(yù)失真技術(shù)又分為模擬預(yù)失真技術(shù)和數(shù)字預(yù)失真技術(shù)，其中數(shù)字預(yù)失真技術(shù)是在模擬預(yù)失真技術(shù)的基礎(chǔ)上演變過來的。

模擬預(yù)失真技術(shù)是MacDonald在1959年提出的，其原理是在功率放大器之前加入一個(gè)和功率放大器具有相反特性的預(yù)失真器，讓輸入信號(hào)先通過功率放大器的逆模型也就是預(yù)失真器，然后把預(yù)失真器的輸出信號(hào)再通過功率放大器，進(jìn)而補(bǔ)償了功率放大器的非線性特性，在沒有降低效率的同時(shí)提高了功率放大器的線性度。具體原理圖如圖2所示。

由圖2可以看出，預(yù)失真器和功率放大器本身具有相反的特性，兩者結(jié)合使得經(jīng)過預(yù)失真系統(tǒng)后的輸出與原始輸入信號(hào)的比值為常數(shù)，呈線性關(guān)系。

近年來數(shù)字領(lǐng)域高速發(fā)展，數(shù)字預(yù)失真由于其結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)成本低和易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)成為了當(dāng)下最熱門的功率放大器的線性化技術(shù)。數(shù)字預(yù)失真的實(shí)現(xiàn)方式分為兩大類，分別是查找表和多項(xiàng)式建模的方式。

4 ?結(jié) ?論

射頻功率放大器作為無線通信中的關(guān)鍵組成部分，優(yōu)化其性能是無線通信系統(tǒng)必須研究的一個(gè)領(lǐng)域。本文以射頻功率放大器的線性化技術(shù)作為出發(fā)點(diǎn)，闡述了幾種常用的功放線性化技術(shù)，并分析了各種功放線性化技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

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作者簡介：陳國海（1984-），男，漢族，廣東河源人，中級(jí)工程師，本科畢業(yè)于重慶郵電大學(xué)，主要研究方向：通信工程無線專業(yè)的規(guī)劃、建設(shè)管理。