一種簡單RF預失真電路的研究

張 建，羅運生

（南京電子器件研究所，南京 210016）

1 引言

隨著現代無線通信技術的發展，為了提高功放的效率，降低其失真，經常采用非線性功率放大器結合線性化技術來實現。功放的線性化技術包括幾種方法：前饋法、負反饋法、預失真、功率回退法、非線性器件法、包絡消除與恢復等。其中由于預失真電路實現簡單、成本低，得到了廣泛的實際應用。本文介紹一種簡單的模擬預失真電路。它利用二極管的非線性特性，產生了正的幅度偏移和負的相位偏移，以補償功率放大器的非線性失真。

2 功率放大器的非線性

圖1表示功率放大器的非線性模型，x（t）為輸入信號，y（t）為輸出信號。則輸出信號可以表示為：

根據功率放大器的非線性理論分析，功率放大器的非線性特征主要包括兩個方面：幅度-幅度失真特性和幅度-相位失真特性。圖2左表示功率放大器的幅度-幅度失真特性，即隨著輸入信號（Pin）的增大，功率放大器的增益會出現一定的壓縮。圖2右表示功率放大器的幅度-相位失真特性，即隨著輸入信號的增大相位會出現一定的增長，這是因為調幅信號的幅度變化同時引起了相位變化或相位調制。

圖1 功率放大器的非線性模型

圖2 功率放大器的非線性特征

在現代通信系統中，若輸入信號x（t）為線性調制信號或者多載波信號，功率放大器會產生很嚴重的非線性失真，特別是三階交調失真。這就要求射頻功率放大器設計在考慮效率的同時必須兼顧線性，這就引入了預失真技術。

3 預失真原理及應用

3.1 預失真的基本原理

對于射頻功率放大器來講，預失真技術是比較簡單的線性化技術。根據頻帶可劃分為基帶預失真、中頻預失真和射頻預失真。本文所采用的射頻預失真能夠實現功放在整個帶寬內的線性化，所以在衛星通信中有廣泛的應用。圖3表示射頻預失真的基本原理框圖：在功率放大器的前級加上一個預失真器（Pre-distorter），預失真器產生與功放相反的失真特性，從而使功率放大器的非線性得到補償。

圖3 射頻預失真的基本原理框圖

圖4表示預失真電路利用預失真器產生與功放相反的幅度-幅度和幅度-相位失真。預失真電路的關鍵問題就是確認所需要的失真特性以及構造一個有與此類似失真特性的電路。

圖4 與功放相反的幅度-幅度和幅度-相位失真

3.2 一種簡單的預失真電路及實際測試

圖5表示射頻預失真電路圖，其具體電路由一個受偏壓控制的肖特基二極管、一個偏置電阻、兩個隔直電容構成。肖特基二極管隨著輸入信號的變化，會出現變阻特性，即隨著輸入信號的增大，肖特基二極管的阻抗會變大。

圖5 射頻預失真電路圖

在交流狀態下，肖特基二極管可近似看作一個電阻與電容的并聯。則該模擬預失真電路的交流等效電路可用圖6表示，其中Rb是偏置電阻，Rd是二極管并聯等效電阻，Cj是二極管結電容，其中Rb會出現變阻特性。

圖6 預失真電路的交流等效電路

由圖6，根據二端口網絡的計算公式可得式（2）：

通過ADS軟件仿真，圖7表示增益、相位與阻抗R的關系，與式（3）、式（4）的計算結果相符。又隨著輸入信號的增大，肖特基二極管的Rd會增大，即R增大。很明顯可以看出，隨著輸入信號的增大，阻抗R會變大，預失真電路就產生了與功放相反的幅度-幅度失真特性與幅度-相位失真特性。

通過圖5制作一個實際的預失真電路。圖8表示預失真電路在不同偏壓下的輸入-增益特性曲線。從圖8中可以看出，在不同的偏壓下，由于二極管工作狀態的不同，預失真電路也顯示出了不同的特點。在零偏壓下，插入損耗基本沒有變化。而偏壓在一定數值（如1V、2.3V、3V）時，預失真電路隨著輸入信號的增加，插入損耗不斷降低，這樣就實現了預期的幅度-失真特性。

預失真器應用在一個c波段功率放大器上，圖9表示該功率放大器的輸入-增益曲線。可以看出，增益會隨輸入信號的不斷增大而不斷出現壓縮特性，與圖2分析相似。該功率放大器在輸入信號為9dBm時，增益壓縮了1dB，此時的輸出功率為35.53dBm。

圖7 增益、相位與阻抗R的關系圖

圖8 不同偏壓下的預失真電路輸入-增益特性曲線

圖9 功率放大器輸入-增益曲線

將預失真器與功率放大器級聯，在不同的偏壓下測試輸出-增益曲線如圖10表示。從圖2～圖8可以看出，由于預失真電路的插入損耗，加入預失真電路后系統的增益明顯減小。加入預失真電路與未加預失真電路時的輸出-增益曲線有了非常明顯的變化，因為預失真電路的幅度-幅度失真特性，加入預失真電路后系統的增益壓縮得到一定的補償。特別是在偏壓為2.3V時，功放的幅度-幅度失真得到了較好的改善。

輸入雙音信號，對功率放大器進行交調測試。圖11表示在不同的偏壓下，功率放大器的載波-三階交調比（IMD3）。如圖11所示未加預失真器時，功率放大器在1dB增益壓縮點輸出功率回退3dB處測得IMD3為20dB；加0V偏壓時，IMD3基本沒有改善；當偏壓為2.3V，IMD3改善了3dB。可以看出此二極管對功率放大器的IMD3改善有限。

更換了一種二極管，應用于相同的功率放大器上，在不同偏壓下的IMD3如圖12所示。可以看出在1dB增益壓縮點輸出功率回退3dB處，IMD3改善了4dB。在1dB增益壓縮點輸出功率回退4dB處，IMD3改善了10dB。而在回退5dB處可以改善20dB。由兩組測試數據可以發現，在輸入功率從小變大時，由于二極管的非線性，功率放大器的IMD3開始會變差，后來由于變阻特性，IMD3得到一定的改善。可以通過偏壓和偏置電阻來控制其工作狀態，在不同的輸出功率下得到最大的IMD3改善。

圖10 不同偏壓下輸出-增益曲線圖

圖11 不同偏壓下的載波-三階交調比

圖12 不同偏壓下的IMD3

4 結束語

本文利用肖特基二極管的變阻特性，研究了一種并聯二極管的預失真電路。通過偏壓的變化來調節二極管的工作狀態，以補償功率放大器的增益壓縮。預失真電路在功率放大器輸入信號為小信號下，IMD3沒有改善反而惡化。預失真電路應用頻帶較寬，但是實際工程應用中因功率放大器復雜多變，需要大量實驗。

[1]李智群，王志功.射頻集成電路與系統[M].北京：科學出版社，2008.187-188.

[2]Peter B.Kenington High-Linearity RF Amplifier Design[M].Boston London: Artech House.351-353.