射頻功率放大器在無線通信中的應用研究

馮長樂

（河北遠東通信系統工程有限公司，河北 石家莊 050200）

0 引 言

現階段，通信產業正在快速發展，相關技術手段的更新速度也在不斷加快。在無線通信系統中，射頻（Radio Frequency，RF）功率放大器作為重要組成部分可以有效發揮擴大頻譜范圍的作用，提高信號傳輸水平，但是運用射頻功率放大器容易引發信號失真。為了降低信號失真的影響，提高射頻功率放大器在無線通信中的應用價值，應積極做好射頻功率放大器的線性技術優化，提高無線通信質量。

1 射頻功率放大器概述

射頻功率放大器在無線發射機設備中發揮著重要作用。在無線通信的發射機設備運營過程中，必須明確無線信號的傳輸范圍，同時有效調節射頻信號的功率參數[1]。在實際操作中，必須確保整個操作流程的合理性，使得無線通信發射機發出的射頻信號功率符合信號覆蓋的要求，實現對周圍信道干擾的控制效果。針對射頻功率放大器模塊，該組成部分通常在無線通信系統中具有良好的應用價值。通過射頻功率放大器能夠針對無線通信系統的信號功率和輸出效率進行有效分類，在判別射頻功率放大器性能時，一般采用增益效果、輸出功率和三階互調系數來評價。

2 射頻功率放大器的原理

在無線發射機中，射頻功率放大器是非常重要的組成部分。采用無線電發送器時，應注意先明確信號的覆蓋范圍，再調節射頻信號的功率。實際的操作過程中，應該將重點放在行動方案的可行性上，使得無線發送器能夠提供足夠的射頻能量，并能有效抑制周邊通信信道對它的影響。就目前國內的無線電波功放而言，射頻功率放大器功放的種類很多，可以按其輸出效率。功率大小等進行歸類。在對射頻功率放大器功放的性能進行判定時，主要考慮的是增益情況、輸出功率以及3 階互調系數等[2]。

3 射頻功率放大器的非線性特性概述

射頻功率放大器中以半導體元件作為核心組成部分，本身就具有特定的非線性[3]。針對射頻功率放大器的非線性分析中，一般將輸出和輸入功放的關系表示為

式中：U1(t)為輸入電壓，通常指電壓瞬時值；U0(t)為輸出電壓，通常指電壓瞬時值。

射頻功率放大器的非線性曲線如圖1 所示。從中能夠看出，在射頻功率放大器的輸入功率比較小的情況下，輸入功率和輸出功率具有線性關系，比值為常數，關系圖為直線；隨著射頻功率放大器輸入功率的增加，輸入功率與輸出功率的關系出現非線性變化，比值不再是常數；而隨著射頻功率放大器輸入功率的減小，輸入功率和輸出功率曲線也將呈現非線性特征，并逐漸形成平緩曲線。通過分析射頻功率放大器的非線性曲線圖，可以看出線性和功率成反比關系。當輸入功率處于線性范圍，在功放輸出信號和輸入信號為倍數關系的情況下，并不存在非線性失真以及其他分量。然而當射頻功率放大器的輸入功率較低時，因放大倍數小會造成其工作效率偏低，將無法滿足無線通信的覆蓋范圍需求，因此只能依靠應用更多的射頻功率放大器來提高放大等級，這也造成了一定程度上的資源浪費[4]。

圖1 射頻功率放大器的非線性曲線

為了滿足射頻功率放大器在無線通信應用中的效率標準，必須保證射頻功率放大器處于飽和區域。而通過射頻功率放大器的非線性曲線來看，如果射頻功率放大器處于飽和區域，則很容易引發非線性失真現象，導致接收器無法精準還原無線信號，最終使無線傳輸失敗[5]。

4 射頻功率放大器的非線性失真分析

4.1 靜態非線性失真

該類型的非線性失真一般考慮處于飽和區產生諧波失真與互調失真的情況，具體分析如下。

4.1.1 諧波失真

引發諧波失真的原因是當射頻功率放大器的功放信號放大后，不僅包括基波信號，也包含倍頻信號[6]。在不考慮非線性失真特性的情況下，射頻功率放大器的功放輸出信號為

式中：y(t)為射頻功率放大器的功放輸出信號；k1為射頻功率放大器的功放倍數。

如果將非線性失真因素考慮進來，射頻功率放大器的功放輸出信號為

通過式（3）可以看出，射頻功率放大器的功放輸出信號不僅能實現線性輸出，同時也會生成其他分量。為了分析射頻功率放大器的諧波失真原因，利用單音信號x(t)=Ucosω0t作為待測信號，將其與式（3）結合，計算功放輸出為

通過式（4）可以看出，射頻功率放大器功放輸出信號除了基波分量，還包括2 倍頻、3 倍頻以及其他倍頻，充分表明了射頻功率放大器諧波失真的特性。

4.1.2 互調失真

產生互調失真主要是由于射頻功率放大器的基波分量和諧波失真分量等多個分量與頻率交匯，形成新的頻率分量。為了明確互調失真特性，通過雙音信號x(t)=U(cosω1t+cosω2t)進行測試。將其帶入式（3），可以求得射頻功率放大器的輸出信號為

通過式（5）可以看出，輸出信號不僅包括基波分量和倍頻分量，同時諧波失真也產生了混頻分量，從而驗證了射頻功率放大器的互調失真特性。

4.2 動態非線性失真

對于無線通信系統中的射頻功率放大器而言，出現動態非線性失真的現象主要受到功放記憶效應的影響，其中的記憶效應一般指的是放大器輸出的信號和輸入信號具有一定關聯性[7]。動態非線性失真主要是由匹配網絡電抗和內部元件造成的，結合產生原因又可分為熱效應和電效應2 類。其中，熱效應受到不同因素的影響，又分為短期熱效應和長期熱效應。短期熱效應主要是晶體管的溫度發生改變引發的非線性失真；長期熱效應則是由于晶體管內部散熱與外部環境影響而引發的非線性失真。電效應則主要是由于偏置電路和儲能元件相互干擾并疊加后引發的分量失真[8]。

5 射頻功率放大器技術在無線通信系統中的應用

5.1 前饋法的應用

前饋法是在20 世紀初期被科學家提出的，在早期得到廣泛應用。起初，前饋法主要運用于電路制造和維修領域，特別是開環電路中對前饋法的應用較為常見。隨著科技水平不斷提升，該方法在各個領域均得到了廣泛應用。以頻帶來說，前饋法的應用需要做好小分貝電路元件的限制。在輔助放大器應用中，由于元件結構比較復雜，因此該技術的應用也存在較大的難度。此外，前饋法的應用還能夠改善功放線性特征，不僅可以實現元器件的增益效果，還能降低對其他信號傳輸產生的干擾。前饋射頻功率放大器在實際應用中主要由誤差放大器、耦合器、減法器以及延時單元組成，所有部分在射頻功率放大器中均發揮著相應的作用。在實際運行中，前饋射頻功率放大器容易出現失衡狀態。為此在控制射頻功率放大器時，需要確保各項操作的規范性與準確性，保證射頻功率放大器的應用獲得理想效果。

5.2 反饋法的應用

在射頻功率放大器的應用中，除了前饋法以外，反饋法也具有良好的應用。當無線信號傳輸過程中發生射頻功率放大器功放失真的現象，通過反饋法可以對失真的信號進行科學處理。在反饋技術的實際應用中，其只需運用簡單的電路結構就能夠達到理想的失真處理效果。在低頻電子技術的應用中，反饋技術能夠有效抵消射頻功率放大器產生的失真現象，使通頻帶和非線性失真指標得以滿足。通常情況下，在應用射頻功率放大器反饋技術時，通常容易受到限制，尤其是在高頻段寬帶條件下的信號傳輸中，其輸入信號和反饋信號將出現反差，因此反饋法一般只應用于低頻段寬帶中。

5.3 EER 法的應用

包絡消除和恢復（Envelope Elimination and Restoration，EER）作為一種常見的射頻功率放大器現行技術手段，其作用是實現對射頻功率放大器功能的進一步放大，為無線信號傳輸提供可靠支持。以中頻段輸入信號來說，利用ERR 法能夠產生同等幅度的輸入信號，再通過混頻器將信號進行變頻處理，使得輸入信號轉化成射頻信號。該技術在無線通信系統中的應用具有較高的難度。因此，在ERR 法的應用過程中，應合理控制變頻器輸入信號，可以發揮ERR 法的應用優勢，有效分離混頻器中的信號，確保中頻信號得以有效加強，以此來實現控制射頻功率放大器的功能。此外，在實際應用中，EER 技術還可以發揮自身良好的靈活特點，能夠有效調節載頻通路信號和電源通路信號的相位差。

5.4 預失真法的應用

該技術方法通常運用在射頻功率放大器的功放前，將預失真設備加入在無線通信系統中能夠確保射頻功率放大器的功放非線性得到有效抵消，充分發揮射頻功率放大器的線性特征。在該技術的實際應用過程中，可以發揮出高效率、低成本以及控制便捷等優勢。射頻功率放大器中預失真技術的主要應用分為射頻預失真和數字預失真。對比這2 種方法可以看出，數字預失真技術一般用來處理數字信號，射頻預失真一般是進行射頻功率放大器功放的互調失真處理。由于工作環境和條件差異，信號預失真相位也存在一定差異，為了確保信號預失真得到有效處理，需要合理控制自適應程度，以此來達到良好的信號傳輸效果。

6 結 論

隨著我國現代科技水平的不斷提升，對無線通信技術也提出了全新的要求。為了提高無線通信技術的應用范圍，滿足人們生產和生活的需求，在無線通信業務中對射頻功率放大器的運用越來越廣泛。但是在射頻功率放大器應用中容易引發失真現象，為了有效降低射頻功率放大器功放時的失真情況，需要合理優化射頻功率放大器的線性技術，發揮射頻功率放大器的應用優勢，為無線通信系統的信號傳輸提供可靠支持。