寬帶功率放大器線性化技術綜述

隨著無線通信技術的快速發展，通信頻率變得越來越擁擠。為了充分利用頻率資源，提高用戶容量，在有限的頻率范圍內存儲更多的通信通道，以傳輸更多的數據。最有效的方法是高頻率多段傳輸技術的普及。多載波傳輸系統多采用寬帶碼分復用(WCDMA)以及正交頻分復用(OFDM,3GPPLTE)等傳輸體制,具有非常高的峰值功率和平均功率比(PAPR),也就是說信號包絡的起伏非常大,這意味著功放要從其飽和區回退很多才能滿足對信號峰值的線性放大,而峰值信號并不經常出現,從而導致功放的效率非常低,通常會低于10%。另外由于射頻功率放大器是通信系統中非線性最強的器件,要提供高的輸出功率,就必須工作在飽和點附近,主要體現為AM-AM調制,AM-PM調制以及交調分量的產生,這些非線性失真造成頻譜擴展,帶內的交調信號將產生干擾,導致誤碼率的增加,嚴重影響信號傳輸;帶外的失真信號對鄰近信道而言,形成了潛在的干擾源,也會使通信系統的性能降低。因此,移動通信系統、衛星通信系統和以軟件無線電為代表的新興無線通信技術都從本質上要求發射機具有高的線性度,射頻功率放大器的線性化技術已成為一個重要研究方向。1前饋線性功放多載波線性功放技術及實現為了滿足多載波系統性能的要求,一般要求發射機的互調產物要比發射信號低60dB,也就是說線性功率放大器的失真要小于6~10dB。按現有的器件水平進行設計,最好的普通線性功率放大器的互調產物只能做到比額定功率低40dB左右,為了把其降低到比額定功率低60dB,需功率回退20dB,這就意味著原來100W的功放現在變成了1W的輸出,其效率更是降為原效率的1%。顯然,使用功率回退法是達不到指標要求的,必須采用線性化技術來實現。目前功率放大器的線性化技術主要有三種,即前饋技術、負反饋技術和預失真技術。在這三種技術當中,前饋技術能夠很好地消除二階和三階非線性,穩定性最好,但技術要求最高,制造成本也最高。預失真技術頻帶較寬,電路相對簡單,但因其開環特性使得校準精度不高,所以非線性產物的抑制度很難提高。負反饋技術實現起來最簡單,一般都是在低頻段使用,在高頻和微波段,反饋環路的相移很難控制。實踐表明,真正能夠滿足多載波線性功率放大器技術要求的線性化技術目前只有前饋技術。前饋線性化技術不受帶寬的限制,適用于無線通信系統的多載波、寬帶工作方式,可以在寬頻帶內實現有效抑制非線性失真產物,具有無條件穩定、線性度高、線性度與增益無直接關系、良好的噪聲特性等優點,具有良好的應用前景和實際經濟效益,它已經成為射頻功率放大器線性化研究的主流發展方向。前饋技術早在二三十年代就由美國的貝爾實驗室提出來了,但它在近十幾年來有了很大的發展。由于其成熟性,目前市場上的產品幾乎都用了該項技術。由于知識產權方面的關系,幾乎各廠家都提出了各自的方法。圖1是前饋功放一種最基本、最簡單的實現框圖。在圖1中,由耦合器C1、C2、C3,移相電路D2及主放大器組成環路1,其作用是為了消除放大器的載頻信號功率;由耦合器C2、C3、Ce,移相電路D1及誤差放大器組成的環路2是為了消除主放大器非線性產生的交調分量,改善功放的線性度。在功放的線性化技術中,包括數字預失真或前饋技術,都必須預先知道功放的頻譜再生分量,即先得到頻譜再生分量的幅度和相位信息。在前饋線性功放中,檢測線性功放帶外頻譜再生分量常用的方法是引入導頻信號,靠檢測導頻信號的大小來判別頻譜再生分量的大小。其具體的做法是針對不同的技術和要求,如GSM、W-CDMA等,設計一種對應的導頻信號,然后在線性功放的輸出檢測導頻信號的能量,并用其來代替帶外的頻譜再生分量,線性功放就是按照導頻信號的能量通過其內部的算法來控制矢量調制器,從而達到抵消由主功放引入的頻譜再生分量。在前饋線性功放的設計中,采用導頻方案有某些優點,但導頻本身也是干擾信號,因此在方案的實現中也受到比較大的限制。在近年的發展中,出現了不用導頻的方案,其方案框圖如圖2所示。在圖2中,低失真射頻信號輸入后,經功分器301分為兩路。一路作為主路信號,經衰減器303、移相器302矢量調制,主功放304放大。由于功放電路中非線性器件的影響,輸出功率信號產生頻譜再生,由耦合器305耦合出部分帶有雜散的信號送入載頻抵消回路,由功分器301分出的另一路輸入信號經延遲線311延時后進入耦合器312,與耦合器305耦合出的主路信號進行反相載頻抵消,為了使兩路信號的幅度相等,主路信號耦合出來后,接入固定衰減器310進行電平調整,抵消后的誤差信號經移相器314、衰減器315調整后進入誤差放大器316,將誤差信號放大到合適的電平,然后送入輸出耦合器307實現誤差抵消功能。主功放304輸出信號通過延遲線延時后進入輸出耦合器,與誤差放大器輸出的誤差信號進行反相抵消,得到符合要求的射頻輸出信號。以上即是前饋功放的實現原理,其本質即是利用功放產生的非線性分量與輸入的純凈信號經處理后使頻譜再生分量得以抵消。前饋功放的抵消要求是很高的,需獲得幅度、相位和時延的匹配。由于非線性功放存在AM/AM、AM/PM效應,諸如功率變化、溫度變化以及器件老化等均會引起對消失靈。為此,在產品中需考慮自適應抵消技術,使得對消能夠跟上內外環境的變化。在上圖中,A處接載頻抵消檢測,B處接頻譜再生分量抵消檢測,它們為自適應抵消而設。一般,由于載波抵消的功率電平較高,可以用較常規的檢測方法來實現;而頻譜再生分量抵消檢測,由于它是從主信號中耦合出來的,主信號大,而雜散分量很小,所以需要用特殊的方法加以實現。載頻抵消檢測和頻譜再生分量抵消檢測是自適應前饋功放的關鍵,線性功放按其檢測的結果來進行自適應調整。本公司利用基于前饋技術設計了一種多載波線性化功率放大器的實現,率先做到了100W以上的某C頻段功率放大器,在滿足上述高線性的條件下,使功放的整體系統效率達到15%,是目前大多數采用功率回退功放的2倍,達到了較高的水準。下面介紹一下100W某線性功放的技術實現,該線性功放實現的功能框。該線性功放主要由六大電路模塊組成,這些模塊包括:主功放模塊(MAM);誤差放大器模塊(EAM);延時線濾波器模塊(DLM);自適應處理模塊(ADPM);檢測模塊(DETM);電源模塊(PS)。主要功能是進行多載波調制射頻信號的功率放大。還需要提出的是,前饋線性功放作為一個大功率部件,在具體設計時需十分重視效率。在滿足線性的要求下,效率是功放中最根本的一項指標。不僅是系統的散熱和能耗問題,更重要的是功放本身的效能利用問題,進而是成本的問題。就影響效率而言,盡管主功放的差別不會很大,但對主功放的精雕細琢還是會對整機效率起到一定的作用。線性化技術水平是整機效率的一個關鍵。除受前饋功放的整體架構(如延遲線的選取等)影響外,載波抵消環的抵消程度對效率有很大的影響。如果抵消精度高,一是可以減小誤差放大器的功率,二是可以減小輸出抵消的損耗,三是可以降低主功放的壓力。正如大家所知道的,RF功率管是功放中最貴重的器件,只有它的用量降下來,才有望大幅度的降低整機的成本,同時增加效率。由此看出,通過對傳統前饋技術的改進,可以大大減小傳統前饋技術附加器件的影響,有效提高放大器的線性,對設計高線性功放具有一定的實際意義。2自適應預失真技術對網絡系統的影響高功率線性功放是衛星導航通信、無線通信、大容量數字微波、廣播電視、無線接入等系統急需的關鍵部件,寬帶、多制式、矢量調制、多載波、基帶信號動態范圍大是其重要特點,系統對所用的放大器線性度提出了苛刻的要求。基于自適應預失真技術前饋技術的高效率、高線性功放技術研究,可以提高功率放大器線性度,從而提高功率放大器的功率