微波功率放大器的線性化設計及實踐研究

甄建勇

摘 要：國內外常用的微波功率放大器的線性化方法包括：前饋法、功率回退法、預失真法、LINC法等。

關鍵詞：微波功率放大器；線性化設計；實踐研究

近幾年來，功放線性化的開發設計吸引了國內外的科研單位、高等院校、通訊公司等關注。例如，國外Optichron公司推出的第一款商業應用的數字預失真設備，這款數字預失真設備的兼容性比較高，可以應用在Doherty功放的配置、AB類放大器，并支持各種調制方式；這款數字預失真設備開發設計與實踐不需要程序編寫，更不需要外部處理器配置，盡管相對比較簡單，但其信息采樣率能達到每秒2.5億樣本，能提供16位的信號分辨率。TI公司的產品GC5322包含了預失真處理和消峰算法，這款產品采用限幅器完成增益的自適應調整，然后通過內插采樣模塊、功率測量模塊完成信號的預失真處理。近年來，國內對微波功放線性化的研究大多停留在算法仿真與驗證階段，由于高階調制技術的廣泛應用，研究者對功放線性化關注越來越高，一些高校和公司等都在這方面進行研發工作，并取得了一些成就，例如單頻和雙頻數字預失真新技術和新模型。

一、功放線性化的設計與實現

（一）功率回退法的設計與實踐研究

一種最常用的線性方法為功率回退法，這種方法選擇輸出功率比較大的功放管子替代小管子來實現其應用，使功率放大器的輸出功率從P1dB壓縮點回退幾個分貝，讓功率放大器的輸出功率離飽和區較遠，從而改善放大器的三階交調系數，達到線性化目的。功率回退法的原理示意圖見圖1。

由于功率回退法的實現方式較為簡單，不需要再增加外圍電路，操作較方便，但是其潛在的缺點是放大器的功率較低，且可以改進的范圍受到限制，放大器的線性度是以犧牲直流功耗來得到的。

（二）負反饋法的設計與實踐研究

近年來，常用提高微波功放線性的辦法為負反饋法，可以應用到低頻段，不過負反饋法是通過犧牲放大器的增益來實現壓縮失真訊號的目的。從原理上分析，它將功率放大器的非線性分量反饋至輸入端口，和原始信號一塊當成放大器的輸入，從而降低非線性，負反饋法的原理示意圖見圖2。

負反饋法的優點是精度較高，價格便宜，線性改善可以達到15～20dB，不過其實際上是在犧牲增益的前提下，達到了壓縮功放非線性的目的，功放產生的失真減少量就是系統的反饋量，從而減少了整個系統的增益，因此放大器增益要求足夠大。負反饋法的缺點是它的環路延時較大，不適合寬帶功放，同時它的穩定性較差，總體上負反饋技術應用范圍不廣泛。

（三）前饋法的設計與實踐研究

上世紀，國外學者Harod S.Black提出了前饋法線性化技術，它的基本原理是通過構造兩個完全相同的功率放大器：主放大器和糾錯放大器。前饋法通過從主功放的輸出中減掉糾錯放大器的非線性失真信號，然后得到線性輸出功率。

前饋法線性化技術的優點如下：具有較高的精度，穩定度較高，不受帶寬限制，理論上可以全部消除非線性分量。但是前饋系統需要幅度嚴格一致，缺點是對通路的相位和延時要求較高，調試難度較大，自適應效果差，實現成本高。

（四）LINC法的設計與實踐研究

LINC法的設計原理是把輸入信號分成兩個包絡一樣、相位不同的信號，用來代替原始信號，利用兩個非線性放大器單獨放大，再進行功率合成。

LINC技術對功放非線性改善較為明顯，效率高，但它對兩個放大器的一致性要求很高，而且當器件老化、溫度漂移等因素變化時自適應能力差。該方法復雜度較大，應用范圍不廣泛。

（五）預失真法的設計與實踐研究

預失真技術是改善功放給線性失真較好的方法，它是在功放前端的基帶單元構建一個數字預失真器，由非線性模塊實現，它的非線性特性和功放的非線性特性相反，用來抵消功放的非線性失真，從而實現整個系統的線性放大。

預失真技術分為射頻預失真和數字預失真。采用模擬器件和電路實現射頻預失真，優點是應用成本較低，電路結構簡單，方便高頻使用，缺點是因為需要使用非線性射頻元件，頻譜再生分量改善較少，線性指標低。

數字預失真在基帶單元進行信號處理，采用FPGA和DSP實現預失真算法處理和功放非線性參數提取，硬件電路簡單，具有自適應功能，不受頻率、寬帶、溫度變化的影響，穩定性好，線性度改善較高。

二、結語

通過對國內外常用的微波功率放大器的線性化方法例如前饋法、功率回退法、預失真法、LINC法等的研究，對未來微波功率放大器的線性化的設計提供了幫助，更為微波功率放大器的線性化的實踐奠定了基礎，為科研工作者和公司也提供了新的契機。運用現有微波功率放大器的線性化方法例如前饋法、功率回退法、預失真法、LINC法的成果優點，并將優點相互聯合，克服存在的缺點，為微波功率放大器的線性化方法的設計提供了新的發展方向。

參考文獻：

[1] 楊小海.基于FPGA的射頻功放數字預失真技術平臺研究與實現[D].杭州電子科技大學，2010.