一種新的用于射頻功率放大器的預失真法

摘 要：改善射頻功率放大器非線性的方法通常有功率回退法、負反饋法、前饋法和預失真法。預失真技術與其他線性化技術相比具有電路結構簡單、性能優良、成本低等優點，因而受到設計者的青睞。設計了一種利用混頻器和濾波器分別產生三階和五階交調分量的預失真器，采用復增益調節器控制預失真器產生的IMD3，IMD5幅度和相位。并從理論上對其特性進行了分析，利用專用的微波電路仿真工具進行仿真驗證，仿真結果表明雙音測試在2 GHz頻段，IMD3和IMD5分別改善了17 dBc和12 dBc。

關鍵詞：預失真器；IMD3；IMD5；射頻功率放大器；雙音測試

中圖分類號：TN722 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1506203

New Pre-distortion Method of RF Power Amplifier

GU Wenting，LI Bin，HUANG Weibo

(School of Physiccal Electronics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，610054，China)

Abstract：To improve the non-linearization of RF power amplifier，power-backoff，negative-forward，feed-forward and pre-distortion method are used usually.Compared with these linearization techniques，pre-distortion technique provides simple circuit design，good performance and relative low cost.In this paper，a new predistortion linearizer is proposed，which uses mixer and filter to generate IMD3 and IMD5 independently and complex gain adjuster to control the amplitude and phase of IMD3 and IMD5.A computer emulated result is also provided.Two tones test show that the improvements in IMD3 and IMD5 cancellations are 17 dBc and 12 dBc respectively.

Keywords：predistorter;IMD3;IMD5;RF power amplifier;two-tone test

1 引 言

隨著大容量通信系統的發展，信道數量的增加、使用帶寬的擴展、更高效調制方式的采用，對發射末端的射頻功率放大器的線性度提出越來越高的要求，使得高線性射頻功率放大器成為當今通信新技術領域中的一個重要研究課題。目前，對發射機中功率放大器進行線性化有三種常見的技術:預失真、前饋 (feed-forword)、負反饋 (negative-forword)^［1］。它們結構不同、各具特色。前饋型具有很高的線性度和帶寬等優點，但由于電路結構復雜，成本昂貴，而且效率低，主要用于大功率放大器中。反饋型采用了傳統的負反饋放大器原理，具有結構簡單、方式多樣、成本低廉等優點，但在較高的工作頻率上，為了保持反饋回路的穩定，必須增加一個帶限濾波器，從而限制工作帶寬。相比較而言，預失真型具有工作頻帶寬，工作穩定因而近年來已成為國內外十分關注的一種線性化技術。本文研究了一種能夠分別產生IMD3和IMD5的預失真器，與傳統預失真型電路相比，其不同之處在于它的非線性電路由混頻器和濾波器夠成，它能很好地改善功率放大器的高階交調分量。本文首先介紹其電路結構和原理，再從理論上分析其主要特性，最后利用專用的微波電路仿真工具進一步驗證。

2 放大器的非線性分析

當放大器工作在非線性區內時，不考慮放大器的記憶效應，其非線性可用無窮項冪級數來描述：V_out=K₁V_in+K₂V²_in+K₃V³_in+…(1) 若輸入為等幅雙音信號：V_in=Vcos ω₁t+Vcos ω₂t(2)其中ω₁和ω₂相差很小，將式(2)代入式(1)得：

V_out=K₁\\+K₂\\Vcos ω₂t\\〗2+K₃\\3+…(3)

由于器件的非線性特性導致放大器的輸出信號的頻譜非常復雜，不僅存在需要的ω₁和ω₂頻率分量，還存在直流、ω₁和ω₂的高次諧波分量，更為值得關注的是還存在ω₁+ω₂，ω₁-ω₂和2ω₂-ω₁，2ω₂-ω₁，2ω₁+ω₂，3ω₁+2ω₂和3ω₁-2ω₂等組合頻率分量。頻率為ω₁+ω₂，2ω₁，2ω₂，2ω₁+ω₂，ω₁+2ω₂，3ω₁+2ω₂，2ω₁+3ω₂等分量落在帶外，將被帶通濾波器濾除，故可不予考慮。而頻率為2ω₁-ω₂，2ω₂-ω₁(三階交調分量)，3ω₁-2ω₂，3ω₂-2ω₁(五階交調分量) 落在通帶內，不會被帶通濾波器濾除，故為放大器產生的主要的非線性分量。由此可將式(3)化簡為：

V_out(t)=［K₂V³+9K₄V⁴/4］+［K₁V+9K₃V³/4+25K₅V⁵/4\\］*\\+

\\*\\+(5K₅V⁵/8)*

\\(4)

3 預失真電路原理分析

預失真線性化電路框圖如圖1所示，即在功率放大器前級聯一個特性相反的單元用以補償功率放大器的非線性，以達到線性化的目的。這種補償原理如圖2所示。設計的預失真型線性化功率放大器電路結構如圖3所示。輸入信號通過功率分配器，被分成2 路，上一支路通過延遲線、功率合成器送入主放大器；下一支路通過耦合器后被分成2路分別用于產生三階和五階交調分量。預失真器主要由混頻器和濾波器組成，當輸入頻率為ω₁，ω₂的雙音信號，通過混頻器后產生ω₁+ω₂和ω₂-ω₁頻率信號分量，將該頻率信號分量與原輸入頻率為ω₁，ω₂信號再次混頻后，除產生基頻信號外還可產生2ω₁-ω₂，2ω₂-ω₁頻率信號，即為我們所需要的三階預失真信號，將上一路頻率為ω₁+ω₂和ω₂-ω₁信號耦合出部分并通過低通濾波器后只剩下ω₂-ω₁頻率的信號，將ω₂-ω₁頻率信號與頻率為2ω₁-ω₂，2ω₂-ω₁信號混頻后可產生3ω₁-2ω₂，3ω₂-2ω₁頻率分量的信號即為我們所需要的五階預失真信號，將預失真信號與通過延時線后的輸入信號一起送入主放大器。通過調節復增益調節器可使混合信號中的非線性分量與主放大器所產生的非線性分量，在幅度上相等、相位上相反，從而抵消輸出信號中的非線性失真分量，達到線性化的目的。

4 軟件仿真

為了進一步驗證預失真型線性化功率放大器的特性，可借助于微波電路專用仿真軟件對圖3的電路進行仿真。輸入的雙音測試信號頻率分別為ω₁=200 2 MHz，ω₂=199 8 MHz，輸入信號的功率為10 dBm時，仿真結果如圖4和圖5所示。

4.1 主功率放大器的非線性特性

主功率放大器其P1dB=24 dBm，Go=15 dB，隨著輸入的雙音測試信號功率的加大，主放大器輸出的頻譜開始出現非線性失真分量，如圖4所示，此時主放大器輸出的信號功率為21.7 dBm，三階交調分量為4.6 dBm，五階交調分量為-18 dBm。其中，三階交調分量與主信號的功率相差 -17 dBc，五階交調分量與主信號的功率相差-39 dBc，即出現了較為嚴重的非線性失真。

4.2 線性化后系統的輸出結果

構建與圖3相同的系統仿真電路(略)。通過反復、適當調整復增益調節器的電壓和延遲線的時間延遲量，可獲得系統的最后輸出信號的頻譜圖(如圖5 所示)。通過與圖4 相比較可見，經過預失真線性化處理后，原輸出信號中的三階交調改善了17 dBm左右，五階交調改善了12 dBm左右。

5 結 語

本文從理論上分析了射頻功率放大器失真產生的根本原因，論證了該預失真技術的可行性，并通過計算機仿真證明了前面的理論分析。理論分析和仿真實驗證明了該預失真技術良好的性能，而且能很好地改善放大器的高階交調。本文介紹的用混頻器實現預失真的線性化技術，由于靠控制兩個復增益調節器的偏置電壓，使其分別調節IMD3和IMD5的幅度和相位。因此很容易作為自適應的控制端，運用自適應算法，使得在更寬的輸入功率動態范圍內IMD3 和 IMD5 有更好的改善。

參 考 文 獻

［1］王偉旭，張玉興.射頻功放的立方預失真線性化技術［J］.無線電工程，2006，36(9):44-45，61.

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作者簡介 辜文婷 女，1983年出生，湖北黃岡人，在讀碩士研究生。主要研究方向為微波預失真技術應用。

李 斌 男，1974年出生，江西南昌人，副教授。主要研究方向為微波電子學，計算電磁學，計算物理學。

黃微波 男，1984年出生，湖南寧遠人，在讀碩士研究生。主要研究方向為微波預失真技術應用。