射频功率放大器线性化技术发展现状

射频功率放大器线性化技术发展现状的研究1.引言1.1论文背景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，使得无线信号可以有效地发射出去。根据功率放大器的分析模型（泰勒级数模型），可知到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。1.2射频功率放大器线性化技术国内外研究现状RF功率放大器的线性化技术研究可以追溯到1920年，1928美国人Harold．S．Black在贝尔实验室工作的发明了负反馈和前馈技术并应用到放大器设计中，功率放大器的失真得到了明显的改善。当时的线性化技术都是从器件本身来改善功率放大器的线性度，并且工作的频率也比较低。在无线通信技术的兴起和飞速发展的过程中，RF功率放大器的线性化技术得到空前的发展，主要体现在以下两方面：1.随着功放线性化技术得到广泛研究和发展，大批线性化技术已露端倪，其中具有代表性的技术包括自适应前馈线性化技术、LinearamplificationusingNonlinearComponents技术、基于查找表的自适应基带预失真技术、EnvelopeEliminationandRestoration技术、CombinedAnalogueLockedLOOPUniversalModular(CALLUM)技术，功率回退技术等。2.研究也从器件的非线性化设计扩展到了整个系统的设计，开始着手从系统的角度改善射频功放的非线性问题。3.世界各国的学术界和工业界在该技术的研究上投入了大量的人力、物力，对射频功放的线性化技术研究都非常重视。相比之下，我国对该技术投入不够，需要加大研究力度。2.功率放大器的线性化技术2.1前馈技术1928在贝尔实验室工作的Harold.S.Black发明了前馈技术，成功应用到放大器之中，从而有效地减少了放大器的失真，这两个技术原理简单，性能优良，可以认为是线性化研究的开端。前馈系统是开环系统且无条件稳定，相比于反馈线性化技术和预失真技术，前馈技术应该说它是一种老技术，除了校准是加于输出之外，在概念上完全是“反馈”，不过是不同的执行方法。前馈克服了延迟带来的影响。可以说，前馈提供了反馈的优点，又不受稳定性和带宽的限制。最基本的前馈放大器由两个环路组成：环路l由功分器、主功率放大器、定向耦合器、衰减器、移相器、延时线和合成器组成。输入的RF信号经功分器后被分成上下两支路信号：上分支路为主功率放大器支路，RF载波信号经过该主功率放大器后得到放大的载波信号和互调失真信号；下分支路为失真提取支路，RF载波信号经过该支路首先被延时，上支路经过主功率放大器输出的互调失真信号经衰减器和移相器后，与下支路延时后的信号在合成器中合成，调节衰减器和移相器使两支路信号获得相位差为180°、振幅相等，这样就能够抵消下支路的RF载波信号，在合成器的输出端可以得到只有互调失真的信号。所以该环路又被称为失真信号提取环路。环路2，也叫失真信号对消环路，由延时线、误差信号放大器、衰减器、移相器和合成器组成。该环路也有两条支路构成：上支路将主功率放大器输出的载波信号和互调失真信号经过延时后送入合成器；下支路将环路1提取出的互调失真信号进行放大、移相后也送入合成器，调节衰减器和移相器，直到合成器输出的信号中互调失真信号很小，而此时输出信号就有很好的线性度。前馈技术对于功放的线性度的提升是明显，但其也有很多的局限性，比如系统复杂、精度要求高等，成本就相对大了很多。2.2负反馈技术负反馈线性化技术历史悠久，可以说是最早发明的一种线性化技术，减少功率放大器失真最简单和最明显的方法，应该就是负反馈方法。通过这些年的研究，负反馈技术是最普遍的消除失真的方法，它在音频功率放大器中有非常大的优势，由于音频信号带宽比较窄，所以利用这种负反馈技术可以很容易的实现稳定性，而他本身固有的缺点，如增益带宽的限制和增益线性度的不足对于音频放大器来说并不构成困难。但在RF功率放大器中，这个问题就显得比较明显。在设计中应该进行充分考虑，因为它的带宽要远远大于音频信号，并且环路的延迟非常明显。所以该技术被泛地应用在很多领域，可以说在线性化系统中负反馈技术有很多明显的优点：比如对失真有比较理想抑制作用，负反馈线性化技术还可以控制功放的输入输出阻抗和减小噪声的影响，减小功放元件对温度的敏感性。当然负反馈技术也存在着很多不可忽视的缺点：负反馈改善系统线性度的同时是需要牺牲功放的增益，用来达到压缩信号的失真。负反馈技术带宽非常有限不适合宽带放大电路，若相位控制不好，很容易产生正反馈导致系统的不稳定。2.3EER(EnvelopeEliminationandRestoration)技术EER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的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。2.4LINC技术和CALLUM技术LINC(LinearamplificationwithNonlinearComponents)线性化技术是在1974年提出的。LINC技术更加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(CombinedAnalogue．LockedL00pUniversalModulator)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。2.4预失真技术预失真线性化技术是一种被广泛使用的射频功率放大器线性化技术之一，根据预失真器放在发射机中的不同位置，可以分为基带预失真技术、中频预失真技术和射频预失真技术,根据预失真器处理信号的不同形式，又可以分为数字预失真技术和模拟预失真技术。预失真技术是当前处理功率放大器非线性特性较好的技术之一，这个技术的基本思想是:通过在功率放大器和输入信号之间插入一个产生反向功率放大器（PA）特性的响应预失真模块（PD）对输入的信号先进行适当的预处理之后再馈入PA之中以补偿由PA的非常而产生的AM-AM、AM-PM失真，最终结果是使得整个PA和PD级联电路的输入输出特性呈现线性的关系。简而言之，这种技术就是预先使功率放大器的输入信号的幅度和相位产生预定的反失真。去抵消功率放大器本身所存在的非线性失真。跟反馈技术相比，预失真技术的优点是有更宽的频带，能够时处理含多载波的信号。2.41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(FieldProgrammableGateArray)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。2.42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GaAsFET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。3总结在以上讨论的各种线性化技术中，前馈线性化技术具有较宽的带宽和较好的线性度改善，但是效率不高。负反馈技术对失真有比较理想的抑制作用，还可以控制功放的输入输出阻抗和减小噪声的影响，减小功放元件对温度的敏感性，但负反馈技术在改善系统线性度的同时是需要牺牲功放的增益，用来达到压缩信号的失真。负反馈技术带宽非常有限不适合宽带放大电路，若相位控制不好，很容易产生正反馈导致系统的不稳定。预失真线性化技术具有无条件稳定、成本低廉、带宽适中等优势。模拟预失真电路不但系统结构简单成本低，而且线性度改善较好同时带宽适中。但是模拟预畸变的工作带宽受限于模