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1.引言 現代無線通信的迅猛發展日益朝著增大信息容量，提高信道的頻譜利用率以及提高線性度的方向發展。一方面，人們廣泛采用工作于甲乙類狀態的大功率微波晶體管來提高傳輸功率和利用效率；另一方面，無源器件及有源器件的引入，多載波配置技術的采用等，都將導致輸出信號的互調失真。因此，在設計射頻功率放大器時，必須對其進行線性化處理，以便使輸出信號獲得較好的線性度。一般常用的線性化技術包括：功率回退、預失真、前饋等，其中，功率回退技術能有效的改善窄帶信號的線性度，而預失真技術和前饋技術，特別是前饋技術，由于其具有高校準精度，高穩定度以及不受帶寬限制等優點，成為了改善寬帶信號線性度時所采用的主要技術。本文首先簡述了普通的前饋線性化技術，而后在此基礎上進行改進，添加了自適應算法，并通過信號包絡檢測技術提取出帶外信號進行調節，從而達到改善輸出信號線性度的目的。 2.前饋基本原理 最基本的前饋放大器原理如圖1所示。他由2個環路組成：環路1由功分器、主放大器、耦合器1、衰減器1、相移器1、延時線1、合成器1組成。輸入的RF信號，即2個純凈的載波信號，經功分器后被分成兩支路信號：上分支路為主功率放大器支路，純凈的RF載波信號經過該支路后產生放大后的載波信號和互調失真信號；下分支路為附支路，純凈的RF載波信號經過該支路后被延時，主功率放大器支路輸出的非線性失真信號經衰減器1和相移器1后，與附支路輸出的信號在合成器1中合成，調節衰減器1和相移器1使兩支路信號獲得相等的振幅，180'相位差以及相等的延遲。這時，就能有效地抵消主功率放大器支路的RF載波信號，而提取出由于主放大器非線性放大所產生的互調失真信號。因此，這一環路又稱為RF載波信號消除環路。 環路2，也叫失真信號消除環路，由延時線2、輔助放大器、衰減器2、相移器2、耦合器2組成。同樣也有兩條分支支路：上分支路將主放大器輸出的非線性失真信號延時后送人耦合器2；下分支路將環路1提取出的互調失真信號進行放大，衰減，相移后也送人耦合器2，調節衰減器2和相移器2，直到耦合器2輸出的信號中互調失真信號最小，也就是IMD最小，則此時輸出的信號就是放大的性的射頻信號。 3. 自適應前饋射頻功率放大器 3．1 自適應前饋電路的原理及算法 由于在前饋系統中對載波信號的抵消要求很高，內外界環境的變化，諸如：輸入信號功率，直流偏置電壓以及環境溫度的變化，都容易造成載波信號抵消失靈。因此，引入自適應技術，以便能及時獲得載波信號在振幅，相位以及延時上的匹配，就變得非常有必要了。自適應前饋系統的結構如圖2所示。 他由3個環路構成：環路1主要用于提取互調失真信號，環路2主要用于消除失真信號，而環路3則主要用于檢測互調失真信號功率。 設輸入信號為υin(t)，經主放大器后的輸出信號為υρα(t)，將υρα(t)耦合一部分到矢量調制器1，用復系數α代表矢量調制器1的調制系數，同時，將主放大器簡化為一個無記憶的非線性模型，則其AM／AM及AM／PM傳遞函數就可以簡單的用復電壓增益G(χ)來表示，其中χ代表瞬時功率，那么從矢量合成器1輸出的信號υα(t)就可以表示為： 在具體的實現結構上，在合成器1后面又添加了功分器2，其目的是對信號υd(t,g, ψ)進行功率檢測，很明顯，如果調節α使得合成器1兩輸入信號的幅度，相位以及延遲都達到匹配，那么這里檢測到的功率將只有互調失真信號υe(t)的平均功率尸+而他是很小的，換句話說，如果檢測到功分器2輸出的功率足夠的小，那么此時對α的調節就達到了最優，即RF載波信號已被最大程度的消除了，而保留下來的僅有互調失真信號υe(t)。 進入環路2的互調失真信號經過輔助放大器放大，矢量調制器2(其調制系數為復系數β)調節后，與經過延時線2的主放大器輸出信號在合成器2中合成。該環路對互調失真信號的振幅及相位調節同樣也采用自適應技術，其數學原理如上所述，但在實現的結構上，卻與環路1不同，環路1是通過直接檢測合成器1的輸出信號來判定RF載波信號是否被抵消到最小值，而環路2在判定互調失真信號是否被抵消到最小值時，卻需要引入第三個環路。 我們知道，對于相同功率的輸出信號，線性信號的包絡要大于非線性信號的包絡，而二者的包絡差值信號就是互調失真信號，最大限度減小其包絡差值信號，就能最大程度地改善輸出信號的線性度，從而減小IMD。環路3的工作原理正在于此。他處理的兩路信號一路是線性信號，即經過延時線3及功分器4的RF載波信號，另一路是非線性信號，即經前饋系統環路1和環路2后由合成器2輸出的信號。首先，環路對兩路信號的合成信號進行功率檢測，并調節矢量調制器3，直到檢測到的功率最小，這時，就可以認為線性信號與非線性信號具有了相同的載波輸出功率。而后，再對兩路信號分別進行包絡檢測，提取包絡差值信號，將此包絡差值信號作用于矢量調制器2，即不斷調節小最終使帶外互調失真信號減至最小，這時就會獲得高線性度的輸出信號。 3．2 計算機仿真 應用一個峰值功率為180W的LDMOS場效應晶體管在計算機仿真系統上設計了一個25 W的功率放大器，并對其輸入兩個頻率間隔為1MHz的載波信號，用以產生三階及五階互調失真信號。圖3為在未采用自適應前饋技術時信號的輸出情況。此時IMD3只能達到-55dBc左右，IMD5只能達到-56dBc左右，而圖4則是采用該項技術后信號的輸出情況。此時IMD3可達到-72 dBc左右，IMD5可達到-76dBc左右，其改善程度顯而易見。 本文采用自適應前饋技術并給合包絡檢測技術來設計射頻功率放大器。由于該項技術考慮到實際中可能遇到的問題，從而對復雜問題進行簡化，不僅從理論上，而且從實踐上證實了他的可實現性。 計算機模擬仿真試驗表明：這種自適應前饋技術的確能夠有效的改善功率放大器的非線性失真。當然，對該項技術的應用還有待進一步加強。 |
