一種新的用于射頻功率放大器的預(yù)失真法

摘 要：改善射頻功率放大器非線性的方法通常有功率回退法、負(fù)反饋法、前饋法和預(yù)失真法。預(yù)失真技術(shù)與其他線性化技術(shù)相比具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而受到設(shè)計(jì)者的青睞。設(shè)計(jì)了一種利用混頻器和濾波器分別產(chǎn)生三階和五階交調(diào)分量的預(yù)失真器，采用復(fù)增益調(diào)節(jié)器控制預(yù)失真器產(chǎn)生的IMD3，IMD5幅度和相位。并從理論上對(duì)其特性進(jìn)行了分析，利用專用的微波電路仿真工具進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明雙音測(cè)試在2 GHz頻段，IMD3和IMD5分別改善了17 dBc和12 dBc。

關(guān)鍵詞：預(yù)失真器；IMD3；IMD5；射頻功率放大器；雙音測(cè)試

中圖分類號(hào)：TN722 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1506203

New Pre-distortion Method of RF Power Amplifier

GU Wenting，LI Bin，HUANG Weibo

(School of Physiccal Electronics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，610054，China)

Abstract：To improve the non-linearization of RF power amplifier，power-backoff，negative-forward，feed-forward and pre-distortion method are used usually.Compared with these linearization techniques，pre-distortion technique provides simple circuit design，good performance and relative low cost.In this paper，a new predistortion linearizer is proposed，which uses mixer and filter to generate IMD3 and IMD5 independently and complex gain adjuster to control the amplitude and phase of IMD3 and IMD5.A computer emulated result is also provided.Two tones test show that the improvements in IMD3 and IMD5 cancellations are 17 dBc and 12 dBc respectively.

Keywords：predistorter;IMD3;IMD5;RF power amplifier;two-tone test

1 引 言

隨著大容量通信系統(tǒng)的發(fā)展，信道數(shù)量的增加、使用帶寬的擴(kuò)展、更高效調(diào)制方式的采用，對(duì)發(fā)射末端的射頻功率放大器的線性度提出越來(lái)越高的要求，使得高線性射頻功率放大器成為當(dāng)今通信新技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究課題。目前，對(duì)發(fā)射機(jī)中功率放大器進(jìn)行線性化有三種常見(jiàn)的技術(shù):預(yù)失真、前饋 (feed-forword)、負(fù)反饋 (negative-forword)^［1］。它們結(jié)構(gòu)不同、各具特色。前饋型具有很高的線性度和帶寬等優(yōu)點(diǎn)，但由于電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴，而且效率低，主要用于大功率放大器中。反饋型采用了傳統(tǒng)的負(fù)反饋放大器原理，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方式多樣、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但在較高的工作頻率上，為了保持反饋回路的穩(wěn)定，必須增加一個(gè)帶限濾波器，從而限制工作帶寬。相比較而言，預(yù)失真型具有工作頻帶寬，工作穩(wěn)定因而近年來(lái)已成為國(guó)內(nèi)外十分關(guān)注的一種線性化技術(shù)。本文研究了一種能夠分別產(chǎn)生IMD3和IMD5的預(yù)失真器，與傳統(tǒng)預(yù)失真型電路相比，其不同之處在于它的非線性電路由混頻器和濾波器夠成，它能很好地改善功率放大器的高階交調(diào)分量。本文首先介紹其電路結(jié)構(gòu)和原理，再?gòu)睦碚撋戏治銎渲饕匦?，最后利用專用的微波電路仿真工具進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 放大器的非線性分析

當(dāng)放大器工作在非線性區(qū)內(nèi)時(shí)，不考慮放大器的記憶效應(yīng)，其非線性可用無(wú)窮項(xiàng)冪級(jí)數(shù)來(lái)描述：V_out=K₁V_in+K₂V²_in+K₃V³_in+…(1) 若輸入為等幅雙音信號(hào)：V_in=Vcos ω₁t+Vcos ω₂t(2)其中ω₁和ω₂相差很小，將式(2)代入式(1)得：

V_out=K₁\\+K₂\\Vcos ω₂t\\〗2+K₃\\3+…(3)

由于器件的非線性特性導(dǎo)致放大器的輸出信號(hào)的頻譜非常復(fù)雜，不僅存在需要的ω₁和ω₂頻率分量，還存在直流、ω₁和ω₂的高次諧波分量，更為值得關(guān)注的是還存在ω₁+ω₂，ω₁-ω₂和2ω₂-ω₁，2ω₂-ω₁，2ω₁+ω₂，3ω₁+2ω₂和3ω₁-2ω₂等組合頻率分量。頻率為ω₁+ω₂，2ω₁，2ω₂，2ω₁+ω₂，ω₁+2ω₂，3ω₁+2ω₂，2ω₁+3ω₂等分量落在帶外，將被帶通濾波器濾除，故可不予考慮。而頻率為2ω₁-ω₂，2ω₂-ω₁(三階交調(diào)分量)，3ω₁-2ω₂，3ω₂-2ω₁(五階交調(diào)分量) 落在通帶內(nèi)，不會(huì)被帶通濾波器濾除，故為放大器產(chǎn)生的主要的非線性分量。由此可將式(3)化簡(jiǎn)為：

V_out(t)=［K₂V³+9K₄V⁴/4］+［K₁V+9K₃V³/4+25K₅V⁵/4\\］*\\+

\\*\\+(5K₅V⁵/8)*

\\(4)

3 預(yù)失真電路原理分析

預(yù)失真線性化電路框圖如圖1所示，即在功率放大器前級(jí)聯(lián)一個(gè)特性相反的單元用以補(bǔ)償功率放大器的非線性，以達(dá)到線性化的目的。這種補(bǔ)償原理如圖2所示。設(shè)計(jì)的預(yù)失真型線性化功率放大器電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。輸入信號(hào)通過(guò)功率分配器，被分成2 路，上一支路通過(guò)延遲線、功率合成器送入主放大器；下一支路通過(guò)耦合器后被分成2路分別用于產(chǎn)生三階和五階交調(diào)分量。預(yù)失真器主要由混頻器和濾波器組成，當(dāng)輸入頻率為ω₁，ω₂的雙音信號(hào)，通過(guò)混頻器后產(chǎn)生ω₁+ω₂和ω₂-ω₁頻率信號(hào)分量，將該頻率信號(hào)分量與原輸入頻率為ω₁，ω₂信號(hào)再次混頻后，除產(chǎn)生基頻信號(hào)外還可產(chǎn)生2ω₁-ω₂，2ω₂-ω₁頻率信號(hào)，即為我們所需要的三階預(yù)失真信號(hào)，將上一路頻率為ω₁+ω₂和ω₂-ω₁信號(hào)耦合出部分并通過(guò)低通濾波器后只剩下ω₂-ω₁頻率的信號(hào)，將ω₂-ω₁頻率信號(hào)與頻率為2ω₁-ω₂，2ω₂-ω₁信號(hào)混頻后可產(chǎn)生3ω₁-2ω₂，3ω₂-2ω₁頻率分量的信號(hào)即為我們所需要的五階預(yù)失真信號(hào)，將預(yù)失真信號(hào)與通過(guò)延時(shí)線后的輸入信號(hào)一起送入主放大器。通過(guò)調(diào)節(jié)復(fù)增益調(diào)節(jié)器可使混合信號(hào)中的非線性分量與主放大器所產(chǎn)生的非線性分量，在幅度上相等、相位上相反，從而抵消輸出信號(hào)中的非線性失真分量，達(dá)到線性化的目的。

4 軟件仿真

為了進(jìn)一步驗(yàn)證預(yù)失真型線性化功率放大器的特性，可借助于微波電路專用仿真軟件對(duì)圖3的電路進(jìn)行仿真。輸入的雙音測(cè)試信號(hào)頻率分別為ω₁=200 2 MHz，ω₂=199 8 MHz，輸入信號(hào)的功率為10 dBm時(shí)，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

4.1 主功率放大器的非線性特性

主功率放大器其P1dB=24 dBm，Go=15 dB，隨著輸入的雙音測(cè)試信號(hào)功率的加大，主放大器輸出的頻譜開(kāi)始出現(xiàn)非線性失真分量，如圖4所示，此時(shí)主放大器輸出的信號(hào)功率為21.7 dBm，三階交調(diào)分量為4.6 dBm，五階交調(diào)分量為-18 dBm。其中，三階交調(diào)分量與主信號(hào)的功率相差 -17 dBc，五階交調(diào)分量與主信號(hào)的功率相差-39 dBc，即出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的非線性失真。

4.2 線性化后系統(tǒng)的輸出結(jié)果

構(gòu)建與圖3相同的系統(tǒng)仿真電路(略)。通過(guò)反復(fù)、適當(dāng)調(diào)整復(fù)增益調(diào)節(jié)器的電壓和延遲線的時(shí)間延遲量，可獲得系統(tǒng)的最后輸出信號(hào)的頻譜圖(如圖5 所示)。通過(guò)與圖4 相比較可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)預(yù)失真線性化處理后，原輸出信號(hào)中的三階交調(diào)改善了17 dBm左右，五階交調(diào)改善了12 dBm左右。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文從理論上分析了射頻功率放大器失真產(chǎn)生的根本原因，論證了該預(yù)失真技術(shù)的可行性，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真證明了前面的理論分析。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)證明了該預(yù)失真技術(shù)良好的性能，而且能很好地改善放大器的高階交調(diào)。本文介紹的用混頻器實(shí)現(xiàn)預(yù)失真的線性化技術(shù)，由于靠控制兩個(gè)復(fù)增益調(diào)節(jié)器的偏置電壓，使其分別調(diào)節(jié)IMD3和IMD5的幅度和相位。因此很容易作為自適應(yīng)的控制端，運(yùn)用自適應(yīng)算法，使得在更寬的輸入功率動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)IMD3 和 IMD5 有更好的改善。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］王偉旭，張玉興.射頻功放的立方預(yù)失真線性化技術(shù)［J］.無(wú)線電工程，2006，36(9):44-45，61.

［2］張玉興.射頻模擬電路［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

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作者簡(jiǎn)介 辜文婷 女，1983年出生，湖北黃岡人，在讀碩士研究生。主要研究方向?yàn)槲⒉A(yù)失真技術(shù)應(yīng)用。

李 斌 男，1974年出生，江西南昌人，副教授。主要研究方向?yàn)槲⒉娮訉W(xué)，計(jì)算電磁學(xué)，計(jì)算物理學(xué)。

黃微波 男，1984年出生，湖南寧遠(yuǎn)人，在讀碩士研究生。主要研究方向?yàn)槲⒉A(yù)失真技術(shù)應(yīng)用。