一種用于射頻功率放大器的新型預(yù)失真器的設(shè)計

摘 要:預(yù)失真技術(shù)是功率放大器線性化的主要技術(shù)之一。分析了傳統(tǒng)預(yù)失真器不能消除其輸出端所產(chǎn)生雙音基頻分量的特點(diǎn)，提出一種新的預(yù)失真器，并利用它改善射頻功率放大器的非線性失真。仿真結(jié)果表明，該方法可以明顯改善射頻功率放大器的三階交調(diào)非線性失真。關(guān)鍵詞: 非線性失真; 射頻功率放大器; 消基頻; 預(yù)失真器; ADS

中圖分類號:TN710-34文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)21-0072-03

Design of New Predistorter Used in RF Power Amplifier

DUAN Qi1， YE Jian-fang1， YE Jian-wei2

(1. Department of Information Science and Technology， Donghua University， Shanghai 201620， China;

2. South China Computer Technology Center of PLA， Guangzhou 510502， China)

Abstract: Predistortion is one of the main techniques for power amplifier linearization. Because the traditional predistortion can not eliminate its two-tone fundamental frequency output， a new predistortion method to improve the RF power amplifier nonlinear distortion is proposed. The simulation results show that the method can significantly improve the third-order intermodulation nonlinear distortion of RF power amplifiers.Keywords: non-linear distortion; RF power amplifier; fundamental frequency elimination; predistorter; ADS

0 引 言

射頻功率放大器是距離最靠近發(fā)射天線的重要一環(huán)，被廣泛應(yīng)用與各種無線發(fā)射設(shè)備中。射頻功率放大器的指標(biāo)主要有:線性度、效率、噪聲系數(shù)等，其中最關(guān)心的是其線性度和效率。隨著無線用戶數(shù)目的增多，寬帶通信業(yè)務(wù)的發(fā)展，通信頻段變得越來越擁擠，為在有限的頻譜范圍內(nèi)容納更多的通信信道，需采用頻譜利用率更高的調(diào)制技術(shù)。但由于放大器的非線性，信號的包絡(luò)波動會產(chǎn)生非線性失真。這就對射頻功率放大器的線性度提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的改善射頻功率放大器非線性失真的方法有[1-2]:前饋、負(fù)反饋和預(yù)失真。前饋線性化技術(shù)需要額外的輔助功率放大器和較復(fù)雜的控制電路且體積大、價格昂貴。負(fù)反饋技術(shù)的方法降低了放大器的增益，且只能使放大器在很窄的頻帶內(nèi)穩(wěn)定工作，僅適用于窄帶通信系統(tǒng)。預(yù)失真技術(shù)是目前最常用的線性化技術(shù)之一。其電路實(shí)現(xiàn)簡單、工作穩(wěn)定、成本低、工作頻帶寬、易于集成且直流功率高。本文將介紹一種新型預(yù)失真器的設(shè)計方案，并運(yùn)用ADS2008U1對電路進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，該方案能夠很好地改善功率放大器的非線性失真。

1 預(yù)失真線性化技術(shù)的工作原理

預(yù)失真是在功率放大器前端增加一個非線性電路用于補(bǔ)償功率放大器的非線性失真，基本原理如圖1所示[3-4]。預(yù)失真器實(shí)質(zhì)上就是一個非線性發(fā)生器，通過控制非線性發(fā)生器，使其輸出與射頻放大器的非線性特性在幅度上相同、相位上相反，來抵消射頻功率放大器的非線性，從而提高功放的線性度，使功放獲得線性化輸出。根據(jù)預(yù)失真器所處的位置，可將預(yù)失真技術(shù)分為射頻預(yù)失真、中頻預(yù)失真和基頻預(yù)失真三類，本文主要討論射頻預(yù)失真技術(shù)。

圖1 預(yù)失真原理圖

傳統(tǒng)的預(yù)失真技術(shù)的原理框圖，如圖2所示[5]。

圖2 傳統(tǒng)預(yù)失真方法圖示

它的不足之處在于，當(dāng)輸入信號進(jìn)入預(yù)失真器之后，在其輸出端不僅有用來補(bǔ)償射頻功放非線性特性的非線性失真信號，而且還有殘余的基頻分量，根據(jù)預(yù)失真技術(shù)的原理可知，這部分殘余基頻信號是與射頻功放中的基頻信號相位相反的。故在改善功放非線性特性的同時，其輸出功率也受到一定程度的削弱。

2 新型預(yù)失真器的設(shè)計

本文采用一種電橋形式的同向平行二極管對預(yù)失真器，預(yù)失真模型見圖3[6]。

2.1 預(yù)失真器模型

用90°電橋網(wǎng)絡(luò)來完成信號的處理和匹配功能，電橋0°通路上的電容可補(bǔ)償二極管對的電抗分量，彌補(bǔ)相位失真。采用90°電橋還可以保持輸入/輸出阻抗特性的良好匹配。

圖3 預(yù)失真器模型

2.2 非線性輸出分析

設(shè)在預(yù)失真器輸入端加等幅的雙音信號vi:

vi=Acos ω1t+Acos ω2t

式中:A為雙音信號的幅度;ω1，ω2為雙音信號的頻率。設(shè)預(yù)失真器的非線性傳輸系數(shù)為y=f(x)，輸出為vo，即vo=f(vi)。將其展成冪級數(shù)形式為[7-8]:



vo=k1vi+k2v2i+k3v3i+…

=k1(Acos ω1t+Acos ω2t)+k2(Acos ω1t+Acos ω2t)2+k3(Acos ω1t+Acos ω2t)3+…

=k2A3+k1A+94k3A3cos ω1t+k1A+94k3A3cos ω2t+12k2A2cos 2ω1t+12k2A2cos 2ω2t+

14k3A3cos 3ω1t+14k3A3cos 3ω2t+k2A2cos(ω1+ω2)t+k2A2cos(ω1-ω2)t+34k3A3cos(2ω1+ω2)t+

34k3A3cos(2ω2+ω1)t+34k3A3cos(2ω1-ω2)t+34k3A3cos(2ω2-ω1)t+…

由上式可知:在預(yù)失真器的輸出信號中，不僅有基頻信號，還有各次諧波及各種交調(diào)信號。其中，需要的是三階交調(diào)失真分量，這里產(chǎn)生的基頻分量對設(shè)計來說可稱為“干擾信號”，必須設(shè)計電路將此基頻信號消除。

2.3 新型預(yù)失真器的設(shè)計

針對預(yù)失真器輸出端有系統(tǒng)不需要的基頻信號的問題，在此將設(shè)計一種新型的預(yù)失真器，用于消除該基頻信號，電路原理圖見圖4。輸入的等幅雙音信號由3 dB功分器等分成兩路，一路信號進(jìn)入預(yù)失真器，另一路信號由延遲器延遲后，進(jìn)入增益/相位調(diào)節(jié)器。延遲主要為了讓進(jìn)入增益/相位調(diào)節(jié)器的信號與進(jìn)入預(yù)失真器的信號同步。其中，增益/相位調(diào)節(jié)器由可調(diào)衰減器和可調(diào)移相器級聯(lián)而成，其作用是為了得到具有適當(dāng)幅度和相位的基頻信號。此外，預(yù)失真器的輸出端將包含基頻在內(nèi)的一系列非線性失真分量，經(jīng)適當(dāng)延遲后，與增益/相位調(diào)節(jié)器的輸出信號一起被送進(jìn)功率合成器。通過控制衰減器的衰減量和移相器的相位來產(chǎn)生與預(yù)失真器輸出信號中所包含的基頻信號具有相同幅度、相反相位的信號，用來抵消預(yù)失真器所產(chǎn)生的基頻分量。在功率分配器輸出端得到的信號就是需要的三階交調(diào)失真信號。

圖4 帶消基頻的預(yù)失真器電路

2.4 預(yù)失真器仿真分析

在安捷倫公司的ADS2008U1中完成電路仿真模型的搭建，仿真電路如圖4所示加入等幅雙音信號，其頻率分別為940 MHz和950 MHz。對電路進(jìn)行諧波平衡(HB)仿真分析，得到預(yù)失真器輸出信號頻譜如圖5，圖6所示。

圖5 傳統(tǒng)預(yù)失真器輸出頻譜

圖5為傳統(tǒng)預(yù)失真器的仿真結(jié)果，圖6為加了消基頻電路后的仿真結(jié)果。經(jīng)比較可看出加了消基頻電路之后，預(yù)失真器輸出端的信號中基頻分量減少了40 dBc。

圖6 改進(jìn)后的預(yù)失真器輸出頻譜

3 預(yù)失真功率放大器的設(shè)計與仿真

3.1 設(shè)計指標(biāo)及預(yù)失真功放電路的搭建

預(yù)失真器射頻功率放大器的性能指標(biāo):工作頻段為900 MHz～1 GHz;輸出功率大于等于13.4 dBm;三階交調(diào)改善大于等于40.2 dBc。仿真時使用的是一個封裝好功放模塊，該模塊內(nèi)包含功率管MRF9742和直流偏置電路及輸入/輸出匹配電路等，預(yù)失真功放電路如圖7所示。

圖7 預(yù)失真射頻功放電路

3.2 射頻功放仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖8，圖9所示。

圖8 沒加預(yù)失真器的PA輸出頻譜

圖9 加預(yù)失真器后的PA輸出頻譜

其中圖8是沒加預(yù)失真器時功放的輸出頻譜，圖9是加了預(yù)失真器后的功率放大器的輸出頻譜。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種帶消基頻的預(yù)失真器，并把此預(yù)失真器用于改善射頻功率放大器的非線性失真。仿真結(jié)果表明，利用本文設(shè)計的預(yù)失真器可明顯補(bǔ)償傳統(tǒng)預(yù)失真器的不足，并且可以抑制射頻功率放大器的三階交調(diào)失真分量達(dá)40 dBc以上。本文有待改進(jìn)之處在于，可以利用自適應(yīng)方法來控制電路中可調(diào)移相器和衰減器，通過檢測輸出信號中的三階交調(diào)失真分量的比例，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)衰減器和移相器，這樣可以更好地改善射率放大器的非線性失真。

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