自适应前馈射频功率放大器设计

1.引言

　　现代无线通信的迅猛发展日益朝着增大信息容量，提高信道的频谱利用率以及提高线性度的方向发展。一方面，人们广泛采用工作于甲乙类状态的大功率微波晶体管来提高传输功率和利用效率；另一方面，无源器件及有源器件的引入，多载波配置技术的采用等，都将导致输出信号的互调失真。因此，在设计射频功率放大器时，必须对其进行线性化处理，以便使输出信号获得较好的线性度。一般常用的线性化技术包括：功率回退、预失真、前馈等，其中，功率回退技术能有效的改善窄带信号的线性度，而预失真技术和前馈技术，特别是前馈技术，由于其具有高校准精度，高稳定度以及不受带宽限制等优点，成为了改善宽带信号线性度时所采用的主要技术。本文首先简述了普通的前馈线性化技术，而后在此基础上进行改进，添加了自适应算法，并通过信号包络检测技术提取出带外信号进行调节，从而达到改善输出信号线性度的目的。

2.前馈基本原理

　　最基本的前馈放大器原理如图1所示。他由2个环路组成：环路1由功分器、主放大器、耦合器1、衰减器1、相移器1、延时线1、合成器1组成。输入的RF信号，即2个纯净的载波信号，经功分器后被分成两支路信号：上分支路为主功率放大器支路，纯净的RF载波信号经过该支路后产生放大后的载波信号和互调失真信号；下分支路为附支路，纯净的RF载波信号经过该支路后被延时，主功率放大器支路输出的非线性失真信号经衰减器1和相移器1后，与附支路输出的信号在合成器1中合成，调节衰减器1和相移器1使两支路信号获得相等的振幅，180'相位差以及相等的延迟。这时，就能有效地抵消主功率放大器支路的RF载波信号，而提取出由于主放大器非线性放大所产生的互调失真信号。因此，这一环路又称为RF载波信号消除环路。

　　环路2，也叫失真信号消除环路，由延时线2、辅助放大器、衰减器2、相移器2、耦合器2组成。同样也有两条分支支路：上分支路将主放大器输出的非线性失真信号延时后送人耦合器2；下分支路将环路1提取出的互调失真信号进行放大，衰减，相移后也送人耦合器2，调节衰减器2和相移器2，直到耦合器2输出的信号中互调失真信号最小，也就是IMD最小，则此时输出的信号就是放大的性的射频信号。

3. 自适应前馈射频功率放大器

3．1 自适应前馈电路的原理及算法

　　由于在前馈系统中对载波信号的抵消要求很高，内外界环境的变化，诸如：输入信号功率，直流偏置电压以及环境温度的变化，都容易造成载波信号抵消失灵。因此，引入自适应技术，以便能及时获得载波信号在振幅，相位以及延时上的匹配，就变得非常有必要了。自适应前馈系统的结构如图2所示。

　　他由3个环路构成：环路1主要用于提取互调失真信号，环路2主要用于消除失真信号，而环路3则主要用于检测互调失真信号功率。

　　设输入信号为υin(t)，经主放大器后的输出信号为υρα(t)，将υρα(t)耦合一部分到矢量调制器1，用复系数α代表矢量调制器1的调制系数，同时，将主放大器简化为一个无记忆的非线性模型，则其AM／AM及AM／PM传递函数就可以简单的用复电压增益G(χ)来表示，其中χ代表瞬时功率，那么从矢量合成器1输出的信号υα(t)就可以表示为：

　　在具体的实现结构上，在合成器1后面又添加了功分器2，其目的是对信号υd(t,g, ψ)进行功率检测，很明显，如果调节α使得合成器1两输入信号的幅度，相位以及延迟都达到匹配，那么这里检测到的功率将只有互调失真信号υe(t)的平均功率尸+而他是很小的，换句话说，如果检测到功分器2输出的功率足够的小，那么此时对α的调节就达到了最优，即RF载波信号已被最大程度的消除了，而保留下来的仅有互调失真信号υe(t)。

　　进入环路2的互调失真信号经过辅助放大器放大，矢量调制器2(其调制系数为复系数β)调节后，与经过延时线2的主放大器输出信号在合成器2中合成。该环路对互调失真信号的振幅及相位调节同样也采用自适应技术，其数学原理如上所述，但在实现的结构上，却与环路1不同，环路1是通过直接检测合成器1的输出信号来判定RF载波信号是否被抵消到最小值，而环路2在判定互调失真信号是否被抵消到最小值时，却需要引入第三个环路。

　　我们知道，对于相同功率的输出信号，线性信号的包络要大于非线性信号的包络，而二者的包络差值信号就是互调失真信号，最大限度减小其包络差值信号，就能最大程度地改善输出信号的线性度，从而减小IMD。环路3的工作原理正在于此。他处理的两路信号一路是线性信号，即经过延时线3及功分器4的RF载波信号，另一路是非线性信号，即经前馈系统环路1和环路2后由合成器2输出的信号。首先，环路对两路信号的合成信号进行功率检测，并调节矢量调制器3，直到检测到的功率最小，这时，就可以认为线性信号与非线性信号具有了相同的载波输出功率。而后，再对两路信号分别进行包络检测，提取包络差值信号，将此包络差值信号作用于矢量调制器2，即不断调节小最终使带外互调失真信号减至最小，这时就会获得高线性度的输出信号。

3．2 计算机仿真

　　应用一个峰值功率为180W的LDMOS场效应晶体管在计算机仿真系统上设计了一个25 W的功率放大器，并对其输入两个频率间隔为1MHz的载波信号，用以产生三阶及五阶互调失真信号。图3为在未采用自适应前馈技术时信号的输出情况。此时IMD3只能达到-55dBc左右，IMD5只能达到-56dBc左右，而图4则是采用该项技术后信号的输出情况。此时IMD3可达到-72 dBc左右，IMD5可达到-76dBc左右，其改善程度显而易见。

4.结束

　　本文采用自适应前馈技术并给合包络检测技术来设计射频功率放大器。由于该项技术考虑到实际中可能遇到的问题，从而对复杂问题进行简化，不仅从理论上，而且从实践上证实了他的可实现性。

　　计算机模拟仿真试验表明：这种自适应前馈技术的确能够有效的改善功率放大器的非线性失真。当然，对该项技术的应用还有待进一步加强。