無線通信系統中射頻功放線性化技術

文/朱惠

近年來，無線通信系統快速發展，功率放大器在航天航空、移動通信終端、基站等領域都得到了廣泛的應用。但功率放大器由于其本身固有的非線性，效率和線性度成反比。當功率放大器工作在高效率區域時，往往處于功放的飽和區，放大 后的信號已經完全失真；當功放工作在純線性區時，功放的工作效率又很低，造成了很大的效率浪費，提升了整個無線通信系統的成本。為了解決這一問題，對于功放線性化的研究有重要的意義。

1 功放非線性特性

功率放大器的非線性特性主要有靜態非線性和動態非線性，其中動態非線性又被稱為記憶效應。

1.1 功放的靜態非線性

若功率放大器為一個理想的元器件，經過功放放大后的輸出信號可以表示為：

其中y(t)是經過功放放大的輸出信號，k1是功放的增益系數。但功放是一個非線性元器件，隨著輸入功率的增加，功放進入飽和區會產生飽和失真。因此表征功率放大器非線性特性輸出信號的數學表達式為：

其中，n為非線性階數，kn為每階非線性所對應的非線性增益。當功率放大器工作在1dB壓縮點之前時，功放基本上處于線性工作區，輸出功率和輸入功率之比為一個常數。當功率放大器工作在1dB壓縮點之后時，飽和輸出功率和輸入功率比值不成線性關系，隨著功放輸入功率越來越大，功放的非線性越來越強，直到達到功放的峰值功率。

功放的靜態非線性失真主要表現為諧波失真和交調失真。諧波失真是由于產生了基波頻率分量以外的倍頻分量。以單音信號帶入式（2）可以得到：

由公式（3）可以看出，除了基波分量w0外，還產生了二倍頻和三倍頻。經過功放放大后，倍頻分量對原基波信號造成了失真影響。

交調失真是指產生了基波頻率相互加減混合的新的頻率分量。以雙音信號帶入公式（3）可以得到：

1.2 功放的動態非線性

功率放大器的動態非線性是指功放當前的輸出不僅與功放當前的輸入有關還與功放之前的輸入有關。功放的動態非線性有熱效應和電效應兩種。其中熱效應是由功放本身放熱和環境溫度影響的。功率放大器在工作時，會根據自身工作頻率調節功率放大器的晶體管溫度，當功放工作頻率過高時，晶體管溫度調節會跟不上功放的頻率調節，就會產生動態非線性失真。電效應是由于功放自身組成中含有儲能元器件，導致偏執電路沒有辦法完全去除失真量。

2 功放線性化技術

功率放大器的靜態非線性和動態非線性嚴重影響了功放的工作性能，進而影響了整個無線通信系統的性能。為了解決這一問題，對于功放線性化技術的研究顯得尤為重要。

2.1 功率回退技術

功率回退技術的目的是使功放工作在線性區，保證功放輸出信號的線性度。功率回退技術的原理是犧牲功放的效率，降低輸入信號功率，進而使得功放工作在線性區。功率回退技術通常是回退到功率放大器的1dB壓縮點。這種技術犧牲了功放的效率，尤其是當前4G以及5G的信號峰均比都很高，功率回退技術毫無疑問的提高了無線通信系統的效率成本，不是一種經濟的功放線性化技術。經常用于doherty這種具有高峰值功率的功率放大器中。

2.2 前饋和負反饋技術

圖1：諧波失真原理圖

上世紀二十年代，Harold.S.Black提出了前饋技術和負反饋技術，用于功放線性化中，大大的降低了功率放大器的非線性失真。前饋技術的原理是先提取出輸入信號的失真信息，在功放輸出端減去功放輸入信號的失真信息進而得到無失真的信號。前饋技術工作在模擬域，不受信號帶寬限制，因此在當前4G和5G超寬帶的情況下，是一種值得深究的技術。但是前饋技術部署后參數會隨著外界環境而產生變化，需要定期調試，操作比較復雜。

負反饋技術的原理是犧牲功放的增益來應對非線性失真，但是實踐表明，負反饋技術系統不穩定，而且延遲不定，限制了該技術的發展。

2.3 數字預失真技術

預失真技術是MacDonald在上世紀五十年代提出的，其原理是在功放前加入一個與功放具有相反特性的預失真模型，兩次非線性進而補償功放本身的非線性。預失真器的非線性失真是由功率放大器的非線性特性的逆變換得來的。近年來，由于數字行業的快速發展，以及數字預失真技術具有的低成本和方便調試的優點，該技術成為功放線性化技術中的主流技術。

3 總結

本文主要介紹了功放的非線性特性，并針對功放的靜態非線性和動態非線性提出了幾種功放線性化技術。