寬帶前饋功率放大器設(shè)計

陳創(chuàng)業(yè)

摘要：目前，無線通信系統(tǒng)對發(fā)射機(jī)的帶寬和線性度提出了更高的要求，前饋線性化技術(shù)是滿足需求的唯一技術(shù)。本文首先對比了目前主流的幾種線性化技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，然后對寬帶前饋線性化技術(shù)的關(guān)鍵原理進(jìn)行了分析并針對工程應(yīng)用做了設(shè)計優(yōu)化，一定程度提高了效率。

關(guān)鍵詞：發(fā)射機(jī);前饋;線性化

中圖分類號：TN722.75 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）07-0167-03

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著移動通信的更新?lián)Q代，預(yù)失真線性化技術(shù)已無法處理寬帶多載波的射頻信號，同時電子器件制造和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，使得前饋技術(shù)成為目前最熱門的線性化技術(shù)。

基于前饋技術(shù)在帶寬和線性度改善方面的優(yōu)越性能，展開對其原理和關(guān)鍵技術(shù)的分析并進(jìn)行工程化設(shè)計十分必要。

1 放大器的線性化技術(shù)

射頻放大器的線性化技術(shù)按技術(shù)原理可分為反饋、預(yù)失真和前饋三大類。

反饋技術(shù)因電路簡單，作為閉環(huán)自適應(yīng)線性化技術(shù)必要組成仍廣泛應(yīng)用于音頻放大器，但在射頻工作頻段，很大程度上受工作帶寬窄和難以有效處理多載波信號等缺點(diǎn)的限制。

預(yù)失真技術(shù)屬于開環(huán)線性化技術(shù)，具有穩(wěn)定性好、頻帶寬、電路簡單且成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的線性化技術(shù);然而該技術(shù)對互調(diào)失真的改善程度有限，一般僅為幾個dB。

前饋技術(shù)具有無條件穩(wěn)定特點(diǎn)，噪聲系數(shù)小，互調(diào)失真改善程度高，雖然該技術(shù)對系統(tǒng)中各元件的幅度、相位以及時延精度要求較高，且對系統(tǒng)效率有一定惡化，但它已是目前唯一能滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對帶寬和多載波需求的技術(shù)。

以上幾種線性化技術(shù)對比情況[1]見表1。

2 前饋線性化技術(shù)基本原理

前饋放大器基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

如圖1所示，主環(huán)路中的支路1實(shí)現(xiàn)主信號放大，支路2對輸入信號進(jìn)行耦合提取并調(diào)整群時延，最終實(shí)現(xiàn)對交調(diào)信號的提取;誤差環(huán)路中的支路4實(shí)現(xiàn)被放大后的主信號的群時延調(diào)整，支路3對交調(diào)信號進(jìn)行幅相調(diào)節(jié)，最終通過耦合器4將輸出信號的交調(diào)信號消除。

3 前饋線性化關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高精度矢量信號對消

前饋線性化技術(shù)的基本思想是通過兩次高精度的矢量信號對消實(shí)現(xiàn)對交調(diào)抑制的大幅度改善，一般要實(shí)現(xiàn)25dB的抑制需要對消兩支路的信號幅度和相位差分別在0.5dB和5°以內(nèi)[2]，而當(dāng)信號帶寬較窄時群時延的影響則較小，對精度要求不高。

支路信號的幅相特性通過矢量調(diào)制器實(shí)現(xiàn)。若對消抑制和動態(tài)范圍要求不高可采用數(shù)控幅相調(diào)制器，受控制位數(shù)有限的限制，幅度步進(jìn)一般為0.5dB，相位步進(jìn)為5.625°，幅度可調(diào)節(jié)范圍一般在10dB以內(nèi)，相位調(diào)節(jié)范圍5.625°～360°;當(dāng)對消抑制和動態(tài)范圍要求較高，則需使用壓控模擬矢量調(diào)制器，其代表原理框圖如圖2所示，工作過程主要通過高精度連續(xù)變化的電壓來控制相互正交的雙極性壓控衰減器來實(shí)現(xiàn)，高精度電壓通過提高DAC的控制位數(shù)實(shí)現(xiàn)，最終可實(shí)現(xiàn)幅度和相位連續(xù)變化，且幅度可調(diào)范圍較大，至少在20dB以上。

目前，國內(nèi)高頻寬帶高精度的壓控模擬矢量調(diào)制器基本處于空白狀態(tài)，是自主可控研究的限制瓶頸。

3.2 寬帶射頻電路設(shè)計

寬帶主要指工作頻帶和信號帶寬兩方面，而兩者對射頻電路的設(shè)計需求是不同的。

當(dāng)工作頻帶較寬時，即相對帶寬至少大于10%，為滿足矢量信號的寬帶對消條件，兩條支路的最主要的幅頻特性要保持一致，一般在±0.5dB以內(nèi)。

較寬的信號帶寬則對合成器件（耦合器、3dB電橋或者威爾金森合路器）和誤差放大器的帶寬提出了更高的要求，其工作帶寬至少需要BW+2×△f，其中BW為主放大器的工作帶寬，△f為最大信號帶寬。

4 工程化的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計

當(dāng)前饋放大器的輸出功率動態(tài)變化時，誤差環(huán)路的中兩支路的幅度一致性可能出現(xiàn)較大波動從而使矢量對消效果嚴(yán)重惡化，通過對幅度一致性可能的變化趨勢進(jìn)行預(yù)判，可將矢量調(diào)制器1的工作點(diǎn)調(diào)整到最合適的工作狀態(tài)。

另一方面，當(dāng)前饋放大器具有較大動態(tài)范圍時，主放大器的增益通常較大，這導(dǎo)致支路1的矢量調(diào)制器的衰減量通常在20dB以上，故誤差放大器將具有很高的增益，為了降低對誤差放大器的增益壓力，我們將主放大器拆分成兩級，同時將矢量調(diào)制器1更換到支路2上，原理框圖如圖3所示。

優(yōu)化后的推動放大器需要具有較高的線性度指標(biāo)，同時末級放大器具有合適的增益以滿足主環(huán)路的矢量對消條件，誤差放大器的需求增益可被極大的降低，一定程度上提高了效率。

5 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)前饋放大器的原理框圖，提出了優(yōu)化改進(jìn)措施，最終減小了誤差放大器的增益壓力，提高了效率，同時針對寬帶多載波大動態(tài)前饋放大器的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)及其現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李堃.高線性大功率前饋功率放大器的設(shè)計[D].武漢：華中科技大學(xué)，2017.

[2] M.K.Nezami，F(xiàn)eedforward power amplifier linearization for 4G basestation[C].IEEE Proc.Malaysia Int.Conf.Commun.（MICC），Kuala Lumpur，Malaysia，Dec.2009（8）：880-884.