前饋仿真設(shè)計(jì)

張　瑞　張永慧

摘 要：從前饋技術(shù)的基本原理出發(fā)，針對(duì)多載波系統(tǒng)對(duì)放大器提出較高的交調(diào)抑制要求，利用MWO微波仿真軟件按照器件參數(shù)進(jìn)行了初步的前饋仿真設(shè)計(jì)，并分析了應(yīng)用中誤差放大對(duì)消不理想的主要原因，對(duì)主、輔放大器可能存在的增益相位漂移等而導(dǎo)致的誤差信號(hào)抵消失效等問題，給出了可用于實(shí)際設(shè)計(jì)的前饋框圖，對(duì)多載波情況下的設(shè)計(jì)實(shí)踐工作具有一定的幫助。

關(guān)鍵詞：前饋；失真；放大器；頻譜調(diào)制

中圖分類號(hào)：TN911文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)05-176-03

Simulation Design of Feedforward Amplifier

ZHANG Rui,ZHANG Yonghui

(Micromave Research Division No.38 Research Institute of China Electronic Technology Corporation,Hefei,230031,China)

Abstract：In this paper,the principle of feedforward power amplifier is presented.Regarding to multi-carrier system require power amplifier more high intermixing modulation restrain,the feedforward circuit is designed,model is built and optimized by microwave office.Then the mostly reason of error amplification cancellation problem is analysed.The realization figure is introduced for solving the problem.It′s help for the design about multi-carrier system.

Keywords：feedforward;distortion;amplifier;spectrum modulation

0 引 言

隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的快速發(fā)展，高效率的頻譜調(diào)制技術(shù)(QPSK或QAM)需要在放大過程中也保持高線性。然而，幾乎所有的放大器都具有非線性特性，因此，采用何種技術(shù)來消除這種非線性對(duì)輸出信號(hào)帶來的不利影響，就成為線性放大器設(shè)計(jì)中需要研究的一個(gè)問題。目前，對(duì)功率放大器進(jìn)行線性化主要有功率回退、負(fù)反饋、預(yù)失真、前饋、有源偏置和具有非線性元件的線性放大器(LINC)等技術(shù)。其中，功率回退技術(shù)能夠有效改善窄帶信號(hào)的線性度，但其效率并不令人滿意；有源偏置技術(shù)和LINC技術(shù)雖然具有較高的效率，但其或?qū)Σ糠制骷岢龅妮^高要求、或因復(fù)調(diào)相信號(hào)而需要匹配良好的兩路均衡放大鏈等，都導(dǎo)致其在設(shè)計(jì)使用方面需要投入更多的精力。而預(yù)失真和前饋技術(shù)，因其具有較高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，并兼顧了一定的效率，因此成為改善寬帶信號(hào)線性度的主要技術(shù)。特別是前饋技術(shù)，在良好的設(shè)計(jì)前提下，往往能夠提供更優(yōu)良的電路性能。

1 基本原理及仿真

前饋技術(shù)由貝爾試驗(yàn)室的H.S.Black提出，早期因其本身的特點(diǎn)，如：開環(huán)電路導(dǎo)致器件特性隨時(shí)間變換不能被補(bǔ)償；在整個(gè)頻帶內(nèi)電路的轉(zhuǎn)移特性要求嚴(yán)格；前饋的實(shí)現(xiàn)需要輔助放大器，提高了成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度等問題而沒有被重視。隨著對(duì)線性化技術(shù)研究的深入，其固有的諸多潛在優(yōu)點(diǎn)也逐漸被大家所認(rèn)可。前饋技術(shù)的基本原理框圖如圖1所示，由于在前饋放大器的設(shè)計(jì)中，合適的耦合因子的選擇以及輔助放大器本身的特性漂移等對(duì)誤差信號(hào)的抵消有著極大的影響，因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)前，應(yīng)對(duì)電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并根據(jù)仿真結(jié)果確定是否需要增加自適應(yīng)調(diào)整電路。

仿真設(shè)計(jì)中采用一個(gè)輸出功率約80 W的LDMOS功率管作為仿真的基礎(chǔ)器件，著重仿真在一定的功率回退基礎(chǔ)上，誤差放大器的增益漂移對(duì)整個(gè)前饋電路的影響。并根據(jù)仿真結(jié)果得出在預(yù)期的交調(diào)失真抑制目標(biāo)下，該誤差放大器可以承受的增益改變。為了簡化仿真過程，在仿真中忽略了功率管等器件的插入相位問題。圖2，圖3為基本的仿真電路圖及仿真結(jié)果，從結(jié)果中可以看出，在合適的耦合因子和增益下，前饋可以較好地改善交調(diào)抑制結(jié)果。

圖4中蘭色粗實(shí)線部分為增加輔助放大器后的頻譜，紅色細(xì)線部分為未加輔助放大器的輸出頻譜。從仿真結(jié)果可以看出，前饋改善了約50 dB的交調(diào)，但在實(shí)際使用中，如此巨大的交調(diào)抑制改善基本不可實(shí)現(xiàn)，其主要原因在于誤差放大器本身的增益波動(dòng)，和實(shí)際設(shè)計(jì)中使用延遲線不能完全等效放大器的插入相位。

在誤差放大器回路中增加可調(diào)衰減器，以仿真誤差放大器的增益波動(dòng)，從圖4的仿真結(jié)果可以得知，在誤差放大器的增益波動(dòng)±0.2 dB的情況下，交調(diào)抑制結(jié)果變差了將近26 dB。同樣地，主放大器的增益波動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致輸入誤差放大器的信號(hào)對(duì)消不理想，甚至失效，從而影響到交調(diào)抑制的改善結(jié)果。因此，為降低對(duì)主放大器和誤差放大器的設(shè)計(jì)要求，并在一定程度上滿足目前對(duì)多載波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，可在電路中增加自適應(yīng)調(diào)整電路，其框圖可構(gòu)建成如圖5所示的電路。

圖5框圖中增加了射頻預(yù)失真器件，能夠幫助改善環(huán)路性能，提高整個(gè)環(huán)路的效率。更進(jìn)一步的方法是：在圖5的基礎(chǔ)上，將輸入信號(hào)和輸出耦合信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)比較。

在同樣的包絡(luò)電平情況下，由于非線性失真主要表現(xiàn)在包絡(luò)幅值的壓縮等特性，通過控制兩個(gè)包絡(luò)信號(hào)的差值最小，來調(diào)整誤差放大器的增益和相位特性。

2 結(jié) 語

對(duì)前饋放大進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬仿真，在簡化模型后，仿真可以確定合適的耦合因子及誤差放大器對(duì)增益起伏的要求。針對(duì)主、輔放大器可能存在的增益相位漂移等而導(dǎo)致的誤差信號(hào)抵消失效等問題，給出了可用于實(shí)際設(shè)計(jì)的前饋框圖，對(duì)多載波情況下的設(shè)計(jì)實(shí)踐工作具有一定的幫助。

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作者簡介

張 瑞 男，1977年出生，工程師。1999年畢業(yè)于安徽大學(xué)電子工程專業(yè)，主要從事微波射頻電路設(shè)計(jì)等。

張永慧 男，1977年出生，工程師。2001年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)電子工程專業(yè)，主要從事微波射頻電路設(shè)計(jì)等。