一種用于射頻功率放大器的新型預失真器的設計

摘 要:預失真技術是功率放大器線性化的主要技術之一。分析了傳統預失真器不能消除其輸出端所產生雙音基頻分量的特點，提出一種新的預失真器，并利用它改善射頻功率放大器的非線性失真。仿真結果表明，該方法可以明顯改善射頻功率放大器的三階交調非線性失真。關鍵詞: 非線性失真; 射頻功率放大器; 消基頻; 預失真器; ADS

中圖分類號:TN710-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)21-0072-03

Design of New Predistorter Used in RF Power Amplifier

DUAN Qi1， YE Jian-fang1， YE Jian-wei2

(1. Department of Information Science and Technology， Donghua University， Shanghai 201620， China;

2. South China Computer Technology Center of PLA， Guangzhou 510502， China)

Abstract: Predistortion is one of the main techniques for power amplifier linearization. Because the traditional predistortion can not eliminate its two-tone fundamental frequency output， a new predistortion method to improve the RF power amplifier nonlinear distortion is proposed. The simulation results show that the method can significantly improve the third-order intermodulation nonlinear distortion of RF power amplifiers.Keywords: non-linear distortion; RF power amplifier; fundamental frequency elimination; predistorter; ADS

0 引 言

射頻功率放大器是距離最靠近發射天線的重要一環，被廣泛應用與各種無線發射設備中。射頻功率放大器的指標主要有:線性度、效率、噪聲系數等，其中最關心的是其線性度和效率。隨著無線用戶數目的增多，寬帶通信業務的發展，通信頻段變得越來越擁擠，為在有限的頻譜范圍內容納更多的通信信道，需采用頻譜利用率更高的調制技術。但由于放大器的非線性，信號的包絡波動會產生非線性失真。這就對射頻功率放大器的線性度提出了更高的要求。

傳統的改善射頻功率放大器非線性失真的方法有[1-2]:前饋、負反饋和預失真。前饋線性化技術需要額外的輔助功率放大器和較復雜的控制電路且體積大、價格昂貴。負反饋技術的方法降低了放大器的增益，且只能使放大器在很窄的頻帶內穩定工作，僅適用于窄帶通信系統。預失真技術是目前最常用的線性化技術之一。其電路實現簡單、工作穩定、成本低、工作頻帶寬、易于集成且直流功率高。本文將介紹一種新型預失真器的設計方案，并運用ADS2008U1對電路進行仿真分析。結果表明，該方案能夠很好地改善功率放大器的非線性失真。

1 預失真線性化技術的工作原理

預失真是在功率放大器前端增加一個非線性電路用于補償功率放大器的非線性失真，基本原理如圖1所示[3-4]。預失真器實質上就是一個非線性發生器，通過控制非線性發生器，使其輸出與射頻放大器的非線性特性在幅度上相同、相位上相反，來抵消射頻功率放大器的非線性，從而提高功放的線性度，使功放獲得線性化輸出。根據預失真器所處的位置，可將預失真技術分為射頻預失真、中頻預失真和基頻預失真三類，本文主要討論射頻預失真技術。

圖1 預失真原理圖

傳統的預失真技術的原理框圖，如圖2所示[5]。

圖2 傳統預失真方法圖示

它的不足之處在于，當輸入信號進入預失真器之后，在其輸出端不僅有用來補償射頻功放非線性特性的非線性失真信號，而且還有殘余的基頻分量，根據預失真技術的原理可知，這部分殘余基頻信號是與射頻功放中的基頻信號相位相反的。故在改善功放非線性特性的同時，其輸出功率也受到一定程度的削弱。

2 新型預失真器的設計

本文采用一種電橋形式的同向平行二極管對預失真器，預失真模型見圖3[6]。

2.1 預失真器模型

用90°電橋網絡來完成信號的處理和匹配功能，電橋0°通路上的電容可補償二極管對的電抗分量，彌補相位失真。采用90°電橋還可以保持輸入/輸出阻抗特性的良好匹配。

圖3 預失真器模型

2.2 非線性輸出分析

設在預失真器輸入端加等幅的雙音信號vi:

vi=Acos ω1t+Acos ω2t

式中:A為雙音信號的幅度;ω1，ω2為雙音信號的頻率。設預失真器的非線性傳輸系數為y=f(x)，輸出為vo，即vo=f(vi)。將其展成冪級數形式為[7-8]:



vo=k1vi+k2v2i+k3v3i+…

=k1(Acos ω1t+Acos ω2t)+k2(Acos ω1t+Acos ω2t)2+k3(Acos ω1t+Acos ω2t)3+…

=k2A3+k1A+94k3A3cos ω1t+k1A+94k3A3cos ω2t+12k2A2cos 2ω1t+12k2A2cos 2ω2t+

14k3A3cos 3ω1t+14k3A3cos 3ω2t+k2A2cos(ω1+ω2)t+k2A2cos(ω1-ω2)t+34k3A3cos(2ω1+ω2)t+

34k3A3cos(2ω2+ω1)t+34k3A3cos(2ω1-ω2)t+34k3A3cos(2ω2-ω1)t+…

由上式可知:在預失真器的輸出信號中，不僅有基頻信號，還有各次諧波及各種交調信號。其中，需要的是三階交調失真分量，這里產生的基頻分量對設計來說可稱為“干擾信號”，必須設計電路將此基頻信號消除。

2.3 新型預失真器的設計

針對預失真器輸出端有系統不需要的基頻信號的問題，在此將設計一種新型的預失真器，用于消除該基頻信號，電路原理圖見圖4。輸入的等幅雙音信號由3 dB功分器等分成兩路，一路信號進入預失真器，另一路信號由延遲器延遲后，進入增益/相位調節器。延遲主要為了讓進入增益/相位調節器的信號與進入預失真器的信號同步。其中，增益/相位調節器由可調衰減器和可調移相器級聯而成，其作用是為了得到具有適當幅度和相位的基頻信號。此外，預失真器的輸出端將包含基頻在內的一系列非線性失真分量，經適當延遲后，與增益/相位調節器的輸出信號一起被送進功率合成器。通過控制衰減器的衰減量和移相器的相位來產生與預失真器輸出信號中所包含的基頻信號具有相同幅度、相反相位的信號，用來抵消預失真器所產生的基頻分量。在功率分配器輸出端得到的信號就是需要的三階交調失真信號。

圖4 帶消基頻的預失真器電路

2.4 預失真器仿真分析

在安捷倫公司的ADS2008U1中完成電路仿真模型的搭建，仿真電路如圖4所示加入等幅雙音信號，其頻率分別為940 MHz和950 MHz。對電路進行諧波平衡(HB)仿真分析，得到預失真器輸出信號頻譜如圖5，圖6所示。

圖5 傳統預失真器輸出頻譜

圖5為傳統預失真器的仿真結果，圖6為加了消基頻電路后的仿真結果。經比較可看出加了消基頻電路之后，預失真器輸出端的信號中基頻分量減少了40 dBc。

圖6 改進后的預失真器輸出頻譜

3 預失真功率放大器的設計與仿真

3.1 設計指標及預失真功放電路的搭建

預失真器射頻功率放大器的性能指標:工作頻段為900 MHz～1 GHz;輸出功率大于等于13.4 dBm;三階交調改善大于等于40.2 dBc。仿真時使用的是一個封裝好功放模塊，該模塊內包含功率管MRF9742和直流偏置電路及輸入/輸出匹配電路等，預失真功放電路如圖7所示。

圖7 預失真射頻功放電路

3.2 射頻功放仿真結果

仿真結果如圖8，圖9所示。

圖8 沒加預失真器的PA輸出頻譜

圖9 加預失真器后的PA輸出頻譜

其中圖8是沒加預失真器時功放的輸出頻譜，圖9是加了預失真器后的功率放大器的輸出頻譜。

4 結 論

本文設計了一種帶消基頻的預失真器，并把此預失真器用于改善射頻功率放大器的非線性失真。仿真結果表明，利用本文設計的預失真器可明顯補償傳統預失真器的不足，并且可以抑制射頻功率放大器的三階交調失真分量達40 dBc以上。本文有待改進之處在于，可以利用自適應方法來控制電路中可調移相器和衰減器，通過檢測輸出信號中的三階交調失真分量的比例，自適應地調節衰減器和移相器，這樣可以更好地改善射率放大器的非線性失真。

參考文獻

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