线性化功率放大器研究综述

线性化功率放大器的研究综述学号：200520106041姓名：侯靖摘要：本文简述了各种线性化射频功率放大器技术，综述了功率放大器线性化技术的研究进展情况及最新研究成果，比较了它们各自的优点和不足之处，最后，展望线性化射频功率放大器技术的发展方向及应用前景。关键词：功率放大器、线性化技术、预失真1前言功率放大器的线性化技术研究可以追溯到上个世纪二十年代。1928在贝尔实验室工作的美国人Harold.S.Black发明了前馈和负反馈技术并应用到放大器设计中[1]，有效地减少了放大器失真，可以认为是线性化功率放大器技术研究的开端。但那时主要是从器件本身的角度来提高功率放大器的线性度，所研究的功率放大器频率也较低。随着通信技术的飞速发展，以下一些原因促使线性化功率放大器技术得到广泛研究并迅速发展：1.无线通信的飞速发展和宽带通信业务的开展，通信频段变得越来越拥挤，为了在有限的频谱范围内容纳更多的通信信道，要求采用频谱利用率更高的传输技术，因此线性调制技术如QAM(QuadratureAmplitudeModulation)、QPSK(QuadraturePhaseShiftKeying)等在现代无线通信系统中被广泛采用。但对于包络变化的线性调制技术，滤波并不能消除交调产物，从而对相邻信道产生不同程度的干扰，因此必须采用线性化的发射机系统。射频功率放大器是发射机系统中非线性最强的器件，特别是为了提高功率效率，射频功放基本工作在非线性状态，因此线性化功率放大器设计技术己成为线性化发射机系统的关键技术。2.出于对通信系统功率效率的要求，不能采用简单的功率回退技术来解决功放线性化问题。所谓功率回退就是采用大功率的放大器，然后通过功率回退使之工作在线性放大区域。如果采用该技术，一方面电源利用率一般仅为5%，会产生导致终端自主时间过短、基站热管理等一系列问题。另一方面大功率器件只能输出很小的功率，其本身潜力不能充分发挥，也造成整机制造成本的提高。3.多载波调制技术的逐渐采用也要求线性化的功率放大器。以OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)为代表的多载波调制技术具有高传输速率、不需均衡等明显优点，己为许多标准如802.11,HDTV(HighDefinitionTelevision)、4G等所采用。由于OFDM信号具有很高的峰值/平均功率比，功率放大器的非线性将影响到整个系统的性能。4.多载波系统要求线性化的功率放大系统。多载波放大系统广泛应用于无线通信的基站系统中，由于多径传播和远近效应的存在，基站系统对邻道干扰的要求非常严格[2]，这就要求采用高线性度的发射机系统，减少交调分量对相邻信道的干扰。5.自适应天线系统的需要。发射机非线性引起的邻道干扰会影响相邻蜂窝甚至相邻波束的用户，非线性交调产物会导致波束宽带、旁瓣抑制、零位深度等一系列天线的性能指标变差。6.动态信道分配的要求。动态信道分配技术要求发射机能工作于任何一个信道，最终要求采用宽带线性化的功率放大器。7.一些新兴无线通信技术的需要。以软件无线电为代表的新兴无线通信技术，从本质上要求线性、宽频的发射机技术，因此需要高度线性化的射频功率放大器[3]。到上世纪七八十年代射频功率放大器的线性化技术得到飞速发展，新兴了众多功放线性化功率放大器技术，如模拟预失真技术、基于查找表的自适应基带预失真技术、自适应前馈线性化技术、EE&R(EnvelopeEliminationandRestoration)技术、LINC(LinearamplificationusingNonlinearComponents)技术、CALLUM(CombinedAnalogueLockedLoopUniversalModular)技术等，无论是在无线通信还是有线通信领域，线性化功率放大器技术已成为一个广泛而活跃的研究领域。2线性化功率放大器技术研究进展综述众多线性化功率放大器技术大体可以分成两类，分述如下：在第一类技术中，射频功放的输入信号是包络变化的，通过非线性功放后会产生失真分量，但可以利用某种技术来消除所产生的失真信号。比如前馈技术是先分离出失真信号，然后再从输出端减去该失真信号的一种线性化技术。另外如预失真技术或负反馈技术，是通过改变输入信号的特性来达到消除失真分量的目的。另一类技术则完全避开了射频功放的非线性特性，该类技术通过某种信号变换使输入信号变成包络恒定的信号。如LINC和CALLUM技术是把输入信号的幅度和相位分离开，形成恒包络但相位变化的两路信号，然后通过放大器放大后再合成的技术。另一种技术EE&R则把输入信号分解成幅度和相位表示的形式，但只有相位信息通过非线性功放，而幅度信息则用来控制功放的供给电压，通过这种方式来达到线性化目的。下文将对常用线性化功率放大器技术作综述性介绍。2.1功率回退技术功率回退法就是选用功率较大的功率管做小功率使用，也就是牺牲功放效率来提高功放线性度的方法，将功率放大器的输入功率小于1dB压缩点，使功率放大器脱离饱和区，进入线性工作区，从而改善功率放大器的三阶交调。功率回退法是一种最简单、最可靠的线性化措施，其缺点是功率放大器的功率利用率大为降低；另外，当功率回退到一定程度，继续功率回退将不会再改善功率放大器的线性度。因此，在线性度要求较高的场合，仅靠功率回退技术功放线性度改善有限，需要与其他线性化技术结合在一起使用。功率回退法是早期功率放大器线性化常用的方法。一般的数字通信系统功率会有6～8dB的回退量。如日本NTT公司的4/5/6L-D1系统采用16QAM调制方式，其发射机功率回退为8dB；美国HARRIS公司的2GHz16QAM系统功率回退10dB。2.2前馈线性化技术早在贝尔室验室的H.S.Black就提出了减小放大器失真的两种方法:前馈和负反馈后[1]，1960年,贝尔实验室的Seidel和他的同事发现负反馈会造成放大器固有的群时延,它受条件稳定和抑制交调失真有限等限制,开始研究前馈在放大器中的用途[4,5]。前馈线性化系统由两个回路组成，信号对消回路（误差回路）和失真对消回路。输入初始信号在第一个回路中一分为二，上支路由主PA（非线性功率放大器）和延迟线组成，下支路由延迟线和辅助PA组成。PA的输出经耦合器采样与下支路信号相加，延迟线用于调节两支路的相位，使两支路相位相差180°，衰减器用于调节两支路的幅度，使两支路的主信号幅度相等。第二个回路上支路为延迟线，下支路为辅助放大器。延迟线使上支路的信号与放大的失真信号相位相反，使非线性失真在输出耦合器处相减，从而提高PA的线性度。前馈系统的最突出特点是宽带。在众多线性化方案中，前馈方案的带宽最宽。这主要有两个因素，其一，前馈系统是按时间进行调整的，不存在时间延迟问题；其二，前馈系统没有模/数和数/模转换造成的带宽问题。此外，前馈系统不存在稳定性问题。因此，前馈能满足宽带、多载波系统功率放大器的线性化指标，并已在许多领域得到应用，从音频应用到高频CATV到微波应用[6-8]。目前已有许多前馈线性化功放的报道[7,9-11]，单一的前馈环IMD可降低20～40dB，多重环多载波系统的IMD改善可达50dB。显然，前馈系统的性能不仅取决于系统的幅度匹配，而且也取决于系统的相位/延迟匹配[9,12-14]。对于窄带通信系统，延迟问题可以通过调节相位得到。但对宽带系统，固定的延迟则意味着不同的相位和频率，文献[13]己证明，假设带宽为1％的理想系统，如果延迟超过一个波长，前馈线性化系统的对交调信号抑制将小于30dB。器件老化、温度漂移和工作频率变化等因素都需要自动化幅度/相位调节网络。目前已出现了一些解决方案，一种方法是通过测量输出功率然后通过最小化失真信号功率来自适应控制调节网络[15];另一种方法是注入导频信号，然后通过测试导频信号的功率来控制幅度和相位匹配[16,17]。前馈系统是以系统的高复杂度来实现高非线性改善的，它提供了闭环系统的线性化精度，开环系统的稳定度和带宽，但造价高。为了增益和相位的跟踪，校准环路中需要附加功率放大器，因而总效率低。特别是在恶劣的环境中工作，该问题尤为突出，寻找前馈线性化的替代品也就成为当前的热门研究课题。2.3负反馈线性化技术负反馈线性化系统基本框图如图1所示，从功放线性化的角度考虑，负反馈图1基本负反馈系统框图系统是牺牲功放增益来提高达到压缩失真信号的目的，换而言之功率放大器必需提供足够增益才能得到较好的功率增益和线性度。1/KInputOutputPA近年来人们又逐渐认识到，负反馈系统具有条件稳定和只能消除有限失真分量的缺点，且不适合在射频情况下应用。这主要因为固态晶体管的增益会随频率的增加而降低，因此射频情况下环路增益会下降许多。可以把许多晶体管连接起来得到较高的增益，但是连接的晶体管越多，稳定性就会越差，系统很难正常工作。一种解决方案是只反馈较低频率的调制信号，因为对通信系统而言，交调分量只同调制信号相关。对于这样一个系统，负反馈回路通常工作在较低频段，可以得到较好的环路功率增益。另一个方法是采用环路滤波器，同样使负反馈系统工作在低频状态。同基本的负反馈系统相比，这些系统要复杂一些，而且会增加环路延迟，这是限制这些技术广泛应用的主要因素[18]。日前已经有许多不同类型的负反馈技术，从简单的包络负反馈到极坐标形式的负反馈技术，主要区别是取得反馈信号的方式不同，现分述如下。2.3.1正交负反馈技术正交负反馈线性化技术的原理如图2所示，非线性射频功放的输出信号被同步解调并负反馈后同输入信号相比较，得到所需的误差信号。误差信号经过上变频器到达非线性功率放大器，完成整个反馈过程。Φ90o90oIQLOAttenuatorRFPARFOut图2正交负反馈线性化技术原理框图正交负反馈最先由Cox提出[19]，但图2所示的结构是由Petrovic最先提出的[20]。己经出现的实验系统证明[21-23]，该方案可以工作在几MHz到1.7GHz频率范围，失真压缩量有20-30dB左右，功率效率可以达到35%-65%。对于采用正交负反馈技术的发射机而言，一个问题是反馈系统减少了环路增益。另一个问题是环路可能会产生相位跳变，比如在载波频率发生变化时。因此实际使用中需要一个相位调节器来自动调节相位以保持系统稳定，所以实际正交负反馈系统要比图2所示的框图复杂。同其它技术相比，正交负反馈技术有个缺点，就是输入信号幅度较低时功率效率不高。改进的一种方法是Briffa等提出的动态偏置法[24]，晶体管的基极和集电极通过输入信号的包络控制。仿真结果表明，饱和时功率效率能达到50%-60%，输入信号幅度较低时有10%-30%。Johansson等提出了一种应用于多载波放大系统的正交负反馈方法[25]，其每条环路即使在没有输入信号的情况下也可以减少有其它环路引起的干扰。实验结果表明[26]，对于宽带多载波系统，交调分量可以压缩30dB左右。1998年Faulkner和Briffa提出的一种正交负反馈系统[27]，这种系统采用了射频负反馈补偿的办法克服回路中的失真和噪声问题。同传统的正交负反馈系统一样，这种技术也需要一个射频的相位调节器。另一种技术是同前馈技术相结合[28]，由于采用了负反馈机制，对前馈系统中信号和误差消除回路的匹配要求降低了。2.3.2极坐标负反馈技术极坐标负反馈线性化技术最先有Petrovic等提出来[29]，如图3所示。其工作原理同EE&R技术非常相近，完全避开了功放本身的非线性。输入信号是中频信号，把其分成幅度和相位信号后各自分开输出。相位误差信号用来控制压控振荡器，而进入非线性功放的是一个恒包络但相位变化的信号，幅度误差信号用来控制功放的电压。这样就形成两个锁相环路，一个用来跟踪相位误差，另一个用来跟踪幅度误差。与普通发射机不同的是，该系统的频点由负反馈回路中的压控振荡器决定的。PhaseDetectorRFPARFOutInputLimiterLimiterLOVCO图3极坐标负反馈性化技术原理框图虽然这种技术可以应用于任何调制