射頻功率放大器的自適應前饋電路設計
2008-04-12 00:00:00丘春輝陳向東王紅燕
現代電子技術 2008年13期
摘 要：先分析常用雙環自適應前饋電路降低非線性失真及輸出功率的特點和不足，通過引入另一個前饋電路，從主功率放大器的輸入端耦合部分信號到輔助功率放大器的輸入和輸出端，經適當調節，進一步改善電路的三階交調失真(IMD3)，并增大輸出功率。結果顯示， 這種改進的自適應前饋電路，IMD3低于信號功率-75 dBc，線性度改善效果明顯，而且輸出功率增大了2～3 dB。
關鍵詞：交調失真；線性化技術；前饋；自適應
Design of an Adaptive Feedforward Circuit for RF Power Amplifier
QIU Chunhui，CHEN Xiangdong，WANG Hongyan
(Information Science and Technology Academy，Southwest Jiaotong University，Chengdu，610031，China)
Abstract：In this paper，the merits and disadvantages of the usual bi-loops adaptive feedforward circuit by decreasing the nonlinearity distortion and exporting enough power are discussed first.Another feedforward circuit by coupling some signal from the input of the main power amplifier to the input and output of the auxiliary power amplifier to reduce more IMD3 and increase the output power are introduced.The results show that the IMD3 reaches below -75 dBc，which is much more acceptable than before，and the output power is increased 2~3 dB.
Keywords：intermodulation distortion;linearization method;feedforward;adaptive
1 引 言
多載波碼分多路(CDMA-MC)、正交頻分多路(OFDM)體制以及新型調制QAM等新的通信技術日趨成熟。它們具有共同的特點，即：多載波，或基帶信號譜有較大的峰均功率比，或兩者兼之。系統所用的功率放大器對線性度要求很高，通常要求輸出三階交調失真在-80～-60 dBc以下［1］。為提高功率放大器的線性度，可采用線性化技術，包括前饋、負反饋和預失真技術等。
負反饋具有較高的線性度，但在高頻和微波頻段，當級數多時，每級所產生的延時將使整個放大器變得不穩定。
預失真技術是開環線性化技術中最常用的方法，無條件穩定，具有更寬的頻帶，但是校準精度不如閉環技術。
前饋技術提供了閉環系統的線性化精度，開環系統的穩定性及寬帶。需要精確的相位平衡、延遲及幅度控制，要求技術高，價格高。為了增益和相位的跟蹤，校準環需附加功率放大器，因而總效率低。雖然如此，前饋仍是目前發展最快的線性化技術，也是前途最為廣闊的線性化技術。
當通信系統使用多載波技術時，影響較嚴重的是三階交調失真［1］。為了保證功率放大器的線性度，放大器輸出往往設置在遠離P1dB處，其結果是效率降低，輸出功率減小。因此本文的目的是在常用自適應前饋電路基礎上改進，降低三階交調失真，并增大輸出功率。
2 自適應前饋控制原理
前饋法電路結構復雜，受環境影響大，因此為了保證良好的線性化效果，必須附加一定的自適應電路。前饋線性化功放一般由信號抵消環和誤差抵消環兩個環路組成，所以自適應控制也分為兩環分別控制，即誤差提取環路和誤差消除環路的自適應控制，如圖1所示。
整個自適應技術包括兩部分：反饋策略的選擇和最優權重系數的計算［2］。自適應前饋技術一般有三種反饋策略，即導頻信號法、相關檢測法和能量最小法(也稱作最小功率檢測法)。最優權重的計算一般是關于多維極值的計算，分為解析法和直接法。解析法包括最速下降法(梯度法)、牛頓法及共軛梯度法等。直接法包括變量輪換法，單純形替換法等。
圖1的誤差提取環路采用相關檢測法。相關檢測法根據非線性失真信號與基波信號的相關特性調節矢量調制器的控制系數。在誤差提取環路，功分器A和功分器C分別耦合部分信號至相關器，經適當的處理后進行相關運算，以兩者之間的最小相關度為目標，調節矢量調制器的控制系數。因為誤差提取環路所得到的誤差信號質量會影響誤差消除回路的自適應控制性能，所以相關檢測法比較適用于誤差提取回路。
圖1中的誤差消除環路采用最小功率檢測法。最小功率檢測法通過調節矢量調制器的控制系數，使提取的失真信號能量最小化，以達到使非線性失真信號最小化的目的。圖1中的耦合器4耦合出部分信號，經過混頻和濾波之后，輸出的誤差信號就被提取出來，以該誤差信號的功率最小化為目標，調節矢量調制器的控制參數。最小功率檢測法比較簡單，不會引入新的失真信號，但是該方法易受測量噪聲的影響。
另外，導頻法也是反饋策略中一種常用的自適應方法。在主放大器和誤差放大器前注入一個附加的導頻信號，通過控制矢量調制器使導頻信號最小化，從而得到最小的非線性失真，但是導頻信號法會引入新的交調失真。
圖1中自適應前饋的最優權重系數的計算方法采用最速下降法(梯度法)。在二次誤差面的環境下，任選一個初始的權重系數α，然后計算該點的誤差面梯度，并且相應地修正α。二次誤差面是經典的估計理論，基數vr(t)和估計誤差ve(t)之間的相關等于誤差面的梯度［3］，根據這個相關驅動自適應算法，當vr(t)和ve(t)不相關時，梯度為0，這表明誤差信號只包含失真。
3 改進的自適應前饋
自適應前饋要注意以下三個方面：一是自適應前饋的附加電路不能引入新的失真信號；二是誤差提取環路中最優權重系數的收斂要比較快，而誤差消除環路的最優權重系數的收斂可以相對慢些［3］；三是因為前饋的輸出功率效率比較低，所以要盡量提高前饋的輸出功率效率。
本文在原雙環自適應前饋的基礎上，增加了兩處改進。
改進一：從輸入端耦合部分基波信號到輔助功率放大器的輸入端，如圖2所示。目的是增大輸出功率，提高自適應前饋附加電路的利用率。
在誤差消除環路，輔助功率放大器至少要將提取的誤差信號線性放大到與主功放輸出誤差信號相同的功率電平，因此要求輔助放大器的功率輸出能力與主功放相差不大。如果輔助功放只用于放大誤差信號的話，那么該前饋附加電路的利用率不高。所以可以從信號輸入端耦合部分基波信號到輔助功放的輸入端，放大后合成到輸出端。此類方法已經在文獻［4，5］中有所提及，但是本文不僅是在自適應前饋的基礎上分析，而且增加以下四點討論：
(1) 為了防止增加額外的失真信號，輔助功放一般工作在A類；
(2) 耦合到輔助功放的基波信號與誤差信號的合成位置不能在矢量調制器2之前，而應該在矢量調制器2之后，如圖2所示，否則耦合的基波信號容易被該矢量調制器衰減，達不到增大輸出功率的目的；
(3) 應把輔助功放的輸出功率全部合成到輸出，這樣才能有效增大輸出功率，而原雙環自適應前饋的誤差消除環的輸出功率的合成系數通常比較低。
(4) 主功放的S12參數不可能無限小，因此主功放的輸入端必然含有非線性失真信號，從信號輸入端耦合的基波信號也必然含有該失真信號。該失真信號雖然小，但是增加了自適應控制中相位調節的困難，容易使輸出的交調信號增大。這個新出現的問題可以由下面的改進二改善。
改進二：從主功放的輸入端耦合部分信號，并在輔助功放的輸出端進行功率合成，如圖2所示。目的是通過最小功率法調節矢量調制器3的控制參數，使輸出的IMD3最小。
在誤差消除環路，輔助功放輸出的誤差信號和主功放的初始失真同在一個數量級，經相互抵消之后的IMD3一般可以降低30 dBc，即輔助功放輸出的誤差信號和最終的交調信號相差30 dBc以上，功率相差太大，因此難以進一步降低IMD3。不妨把這種效果較好的降低失真的行為稱為“粗調”，而“粗調”的初步效果好，但是易殘存一定的失真。如果在“粗調”的基礎上，增加“微調”，就可以使失真再降低幾個dBc，也許是關鍵的幾個dBc。自適應前饋的IMD3一般低于-60 dBc，因此應提取小誤差信號以進一步抵消該小失真。
上面已經提到，主功放的輸入端其實也含有非線性失真信息，因此可以從主功放的輸入端提取部分信號，經矢量調制器3，合成到輔助功放的輸出端，如圖2所示，步驟如下:
(1) 通過誤差提取環路和誤差消除環路的自適應算法，確定矢量調制器1和矢量調制器2的控制參數；
(2) 通過最小功率法，調節矢量調制器3的控制參數，使輸出的交調失真最小化。因為是“微調”，所以收斂時間可以長些。
4 仿真結果
采用ADS2006進行仿真，功率源采用相隔2 MHz，中心頻率850 MHz的雙頻率源，可以較好地觀察IMD3。圖4是以圖1的自適應前饋框架為基礎的仿真結果。結果顯示比未加功放的三階交調失真降低了40 dBc左右，但是功率降低了1 dB左右。圖5是以圖2的改進自適應前饋框架為基礎的仿真結果。結果顯示與未加前饋的輸出相比，功率提高了2～3dB，三階交調失真的優化超過50 dBc。與未改進的自適應前饋相比，輸出功率提高了3～4 dB，IMD3的優化超過10 dBc。
5 結 語
仿真結果表明，改進的自適應前饋電路，在降低IMD3和提高輸出功率方面都改善明顯。自適應前饋電路可以實現信號的超線性穩定輸出，非常適用于多載波，寬帶射頻功率放大器。
參 考 文 獻
［1］張玉興，趙宏飛，向榮，等.非線性電路與系統［M］.北京:機械工業出版社，2007.
［2］Stephen J，Grant，James K，Cavers.A DSP Controlled Adaptive Feedforward Amplifier Linearizer［D］.School of Engineering Science，Simon Fraser University，1996.
［3］Cavers J K.Adaptation Behavior of a Feedforward Linearizer［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，1995，44(1):31-40.
［4］陳建新，謝萬波，楊維民，等.射頻放大器前饋技術仿真［J］.北京工業大學學報，2006，32(10):870-873，912.
［5］嚴福興.射頻功率放大器前饋線性化技術研究［J］.現代電子技術，2007，30(4):6-8.
作者簡介 丘春輝 男，1981年出生，福建長汀縣人，西南交通大學碩士研究生。主要從事射頻電路設計，無線通信方向的研究。
