射频PA的线性化技术

 

功率放大器是现代通信中一个重要的元件。
 

 

现代通信系统趋向于使用线性调制方式，这就要求射频系统具有很好的线性特性。

 

因此，对功放的输出进行线性化成为现代通信中一个重要的课题。

 

在现代无线通信系统之中，射频前端部件对于系统的影响起到了至关重要的作用。

 

随着科技的进步，射频前端元件如低噪声放大器（LNA）、混频器（Mixer）、功率放大器（PA）等都已经集成到一块收发器之中，但其中对性能影响最大是功率放大器。

 

功率放大器是一种将电源所提供的能量提供给交流信号的器件，使无线信号可有效地发射出去。

 

根据功率放大器的分析模型（泰勒级数模型），可知当输入信号的幅度很小的时候，对于功率放大器的非线性特性影响较小。

 

但当输入信号的幅度比较大的时候，就会对功率放大器的非线性度产生很大的影响，所以说对功率放大器的非线性性能产生影响的关键因素就是输入信号幅度的增强并且不断地变化。

 

随着无线用户数量人数的不断增加，有限的通信频段变得越来越拥挤。

 

为了提高频谱的利用效率，线性化调制技术技术譬如正交幅度调制（QAM）、正交相位键控（QPSK）、正交频分复用（OFDM）就在现代的无线通信之中就被广泛的应用，因为这几种技术的频谱利用率更高。

 

但是这些线性化调制技术都是包络调制信号，这就必然会引入非线性失真的问题。

 

通信系统中的很多有源器件都是非线性器件，一旦包络调制信号通过该系统时，就会产生非线性失真，谐波的频段很多时候会影响到相邻的信道中的信号，会对系统产生一定程度的干扰，因此高功率高频率的射频发射系统的输入信号也必须控制在一定的幅度范围以内。 

 

对于那些包络变化的线性化调制技术就必须采用线性发射系统。

 

然而发射系统中非线性最强的器件是功率放大器，同时发射系统都要求有尽量高的发射效率，所以为了效率，射频功放基本都工作在非线性状态，所以如何提高功率放大器的线性度就显得异常关键。

 

现在整个通信领域，射频功率放大器的线性化技术已成为一个越来越重要的研究领域。

 

 

CHRENT射频PA的线性化技术

 

射频功率放大器的非线性失真会使其产生新的频率分量，对于二阶失真会产生二次谐波和双音拍频，对于三阶失真会产生三次谐波和多音拍频。

 

这些新的频率分量如落在通带内，将会对发射的信号造成直接干扰，如果落在通带外将会干扰其他频道的信号。

 

为此要对射频功率放大器的进行线性化处理，这样可以较好地解决信号的频谱再生问题。 

 

射频功放基本线性化技术的原理与方法不外乎是以输入RF信号包络的振幅和相位作为参考，与输出信号比较，进而产生适当的校正。

 

目前己经提出并得到广泛应用的功率放大器线性化技术包括，功率回退，负反馈，前馈，预失真，包络消除与恢复（EER），利用非线性元件进行线性放大（LINC） 。

 

较复杂的线性化技术，如前馈，预失真，包络消除与恢复，使用非线性元件进行线性放大，它们对放大器线性度的改善效果比较好。

 

而实现比较容易的线性化技术，比如功率回退、负反馈这些技术对线性度的改善就比较有限。

 

 

 

功率回退

 

这是最常用的方法，即选用功率较大的管子作小功率管使用，实际上是以牺牲直流功耗来提高功放的线性度。 
 

 

功率回退法就是把功率放大器的输入功率从1dB压缩点

放大器有一个线性动态范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加。随着输入功率的继续增大，放大器渐渐进入饱和区，功率增益开始下降，通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点，用P1dB表示。

 

向后回退6-10个分贝，工作在远小于1dB压缩点的电平上，使功率放大器远离饱和区，进入线性工作区，从而改善功率放大器的三阶交调系数。

 

一般情况，当基波功率降低1dB时，三阶交调失真改善2dB。 

功率回退法简单且易实现，不需要增加任何附加设备，是改善放大器线性度行之有效的方法，缺点是效率大为降低。

 

另外，当功率回退到一定程度，当三阶交调制达到-50dBc以下时，继续回退将不再改善放大器的线性度。因此，在线性度要求很高的场合，完全靠功率回退是不够的。

 

预失真

 

预失真就是在功率放大器前增加一个非线性电路用以补偿功率放大器的非线性失真。
 

 

预失真线性化技术，它的优点在于不存在稳定性问题，有更宽的信号频带，能够处理含多载波的信号。

 

预失真技术成本较低，由几个仔细选取的元件封装成单一模块，连在信号源与功放之间，就构成预失真线性功放。

 

手持移动台中的功放已采用了预失真技术，它仅用少量的元件就降低了互调产物几dB，但却是很关键的几dB。 

 

预失真技术分为RF预失真和数字基带预失真两种基本类型。

 

RF预失真一般采用模拟电路来实现，具有电路结构简单、成本低、易于高频、宽带应用等优点，缺点是频谱再生分量改善较少、高阶频谱分量抵消较困难。 

 

数字基带预失真由于工作频率低，可以用数字电路实现，适应性强，而且可以通过增加采样频率和增大量化阶数的办法来抵消高阶互调失真，是一种很有发展前途的方法。

 

这种预失真器由一个矢量增益调节器组成，根据查找表（LUT）的内容来控制输入信号的幅度和相位，预失真的大小由查找表的输入来控制。

 

矢量增益调节器一旦被优化，将提供一个与功放相反的非线性特性。

 

理想情况下，这时输出的互调产物应该与双音信号通过功放的输出幅度相等而相位相反，即自适应调节模块就是要调节查找表的输入，从而使输入信号与功放输出信号的差别最小。

 

注意到输入信号的包络也是查找表的一个输入，反馈路径来取样功放的失真输出，然后经过A/D变换送入自适应调节DSP中，以更新查找表。 

 

 

CHRENT数字预失真技术

 

数字预失真技术是指在通信系统的基带部分完成信号预失真的功能，以得到能够满足功率放大器线性化指标。

 

在数字预失真技术中DSP、FPGA（Field Programmable Gate Array）芯片是预失真系统的主要组成部分。

 

调制信号通过预失真器得到失真信号，失真信号通过D／A转换器变成模拟信号，模拟信号被调制到RF载波信号上，最后进入RF功率放大器，得到线性化输出。

 

RF功率放大器的输出被定向耦合器提取一部分，经过解调后返回到基带部分，该信号通过A／D转换器变成数字信号，该信号是用来调节预失真的性能，使得输出信号的线性化更加可观。

 

 

CHRENT模拟预失真技术

 

模拟预失真技术的实现有多重方式。
 

 

如串联二极管预失真器，它主要有一个肖特基二极管并联一个电容来实现的。这种结构可以在低电压偏置下获得正的幅度和负的相位。

 

通过调节偏压和电容来完成预失真器的功能，从而使得预失真器的非线性与放大器的非线性完全相反。

 

但其对线性度改善并不明显，不过却是一种低成本的简单可行的方法。

 

此外还有并联二极管预失真器。

 

另外采用变容二极管实现预失真功能也是一种常用的方法，该方法主要有两部分功能区改善功率放大器的线性度。

 

变容二极管是用来补偿功率放大器的AM-PM效应，而为了补偿功率放大器的AM-AM效应，该预失真器引入了二阶谐波控制技术。

 

该技术比起简单的串、并联二极管技术，它的插入损耗要低很多。

 

该技术应用于砷化镓场效应单管功率放大器变容二极管可以对GaAs FET输入端进行容性补偿，目的在于消除功率放大器的 AM-PM效应。

 

采用二阶谐波注入技术补偿了功率放大器的AM-AM非线性特性。

 

这样就可以很好的消除AM-PM、AM-AM效应，从而使功率放大器的线性度有所改善。

 

另外还有诸如场效应管预失真器，谐波预失真器，二极管反向平行对的预失真器等模拟预失真技术。

 

前馈

 

前馈技术起源于“反馈”，应该说它并不是什么新技术，早在二三十年代就由美国贝尔实验室提出来的。
 

 

除了校准（反馈）是加于输出之外，概念上完全是“反馈”。  

 

前馈线性放大器通过耦合器、衰减器、合成器、延时线、功分器等组成两个环路。

 

射频信号输入后，经功分器分成两路。

 

一路进入主功率放大器，由于其非线性失真，输出端除了有需要放大的主频信号外，还有三阶交调干扰。

 

从主功放的输出中耦合一部分信号，通过环路1抵消放大器的主载频信号，使其只剩下反相的三阶交调分量。

 

三阶交调分量经辅助放大器放大后，通过环路2抵消主放大器非线性产生的交调分量，从而了改善功放的线性度。 

前馈技术既提供了较高校准精度的优点，又没有不稳定和带宽受限的缺点。

 

当然，这些优点是用高成本换来的，由于在输出校准，功率电平较大，校准信号需放大到较高的功率电平，这就需要额外的辅助放大器，而且要求这个辅助放大器本身的失真特性应处在前馈系统的指标之上。 

 

前馈功放的抵消要求是很高的，需获得幅度、相位和时延的匹配，如果出现功率变化、温度变化及器件老化等均会造成抵消失灵。为此，在系统中考虑自适应抵消技术，使抵消能够跟得上内外环境的变化。

 

 

CHRENTLINC技术和CALLUM技术

 

LINC(Linear amplification with Nonlinear Components)线性化技术是在1974年提出的。
 

 

LINC技术更适合幅度和相位同时变化的调制技术。

 

LINC技术把带通输入信号分成两个只有恒包络信号Sl、S2。

 

但是它们的相位却是变化的。

 

这两个恒包络信号分别通过上下支路的功率放大器，分别放大后再进行合成，就可以实现输入信号的放大功能。

 

信号分离是利用DSP来完成实现的。

 

当信号被分离以后，经过放大器放大后，再经过合成器合成，最终在输出端得到输入信号的放大信号。

 

其中比较难控制的是，如何使两个放大器支路做到完全匹配，并且有着相同的相位和增益特性。

 

对于相位相同的信号能够进行相加，而对于相位相反的信号能够做到相减，也就是能够做到相互抵消。

 

CALLUM(Combined Analogue.Locked L00p Universal Modulator)是一种起源LINC的技术。

 

CALLUM技术采用笛卡儿反馈，输出信号被反馈回去，应用QAM下变频为正交信号分别与基带的正交信号分量进行比较。

 

因为LINC在其支路上很难实现增益和相位的完全匹配，所以对失真信号的消除改变不够明显。

 

而CALLUM受限于其反馈结构，只能在窄带通信系统中使用。

 

经过功率放大器输出后进行合成，正是这种合成使得效率和功率大大消减。

 

在当今的线性化技术中，各个技术都有其的优缺点，为了弥补技术本身的缺点，通常可以把几种技术结合起来，达到取长补短的作用。

 

比如就有包络反馈预失真、RF反馈与前馈结合等技术的诞生。

 

 

CHRENTEER技术

 

EER(Envelope EliminaTIon and RestoraTIon)技术中射频输入信号的幅度和相位分开，相位信号经过非线性功率放大器。 

 

此类放大器工作在开关状态，故从理论上来讲会有100％的效率。

 

同样，幅度信号在被放大之前可以从射频输入信号分离出来。

 

而在信号被放大的过程中，包络信号又可以恢复到载波信号中，这是根据射频功率放大器的偏置电压做到的。

 

幅度信号和相位信号在时间要求方面要尽量一致。

 

针对这一问题，故在相位信号支路加入延时线，力求根据控制该线的长短来满足上述要求。

 

当然EER技术本身也存在缺点。

 

如前面所描述的那样，当包络恢复到载波信号时，是根据调节射频功率放大器的偏置电压来完成实现的，其实调节漏极电压来校正放大器的输出信号的幅度时，相位本身也在变化。

 

这样就会把有用信号的频谱延伸，从而消弱了射频功率放大器的线性度。

 

另外，包络恢复反馈环路的动态范围也比较小。

 

 

来源：5G通信射频有源无源滤波器天线