一種非線性元件實現(xiàn)線性放大的改進技術與仿真

劉成國 楊國緯 劉尚合

（1.武漢理工大學理學院，射頻與微波技術研究中心，湖北 武漢430070；2.軍械工程學院靜電與電磁防護技術研究所，河北 石家莊050003）

引 言

現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，功率放大器作為核心部件之一，其效率和線性度極大地影響著整個系統(tǒng)的性能，而效率和線性度又是一對矛盾的指標，需要權衡取舍［1］.隨著現(xiàn)代通信技術的發(fā)展，頻譜資源越來越緊張［2］，傳輸信息量越來越大，于是越來越復雜的信號調制技術應運而生，例如多載波技術、正交頻分多址技術和多元線性幅度調制技術［3-4］等.它們輸出的幾乎都是非恒定包絡的調制信號，并且輸出信號峰均比極大［5-6］，容易進入功率放大器的非線性區(qū)域導致信號失真，造成明顯的頻譜擴展干擾，所以要求功放具有很好的線性度［7-8］，而功放模塊作為整個通信系統(tǒng)中最耗電的部分，高效率也是對其的一個必然要求.LINC技術［9-10］中由于其功放可以工作在飽和狀態(tài)，所以具有很高的效率；其次，只要調整好兩支路的幅相平衡，就可以獲得較好的線性度.所以現(xiàn)在LINC技術被廣泛運用到射頻功率放大器電路中［11-14］.本文通過研究LINC理論，對原有理論提出了一些有效的改進，并進行了仿真分析.

1 基本原理

對于一般的帶通信號

其中E（t）＝Emsinφ（t）≥0為實包絡.將其視為LINC放大器的輸入信號，輸入到信號分離器中，如圖1所示.

圖1 LINC放大器原理圖

信號經(jīng)過分離器后拆成兩個幅度相等且恒定的信號S1（t）和S2（t）.

兩個放大器也可以是兩個功率振蕩器，只需其是相位鎖定或注入鎖定即可，同時兩個放大器要有相同的增益.

1.1 信號分離的具體實現(xiàn)

實現(xiàn)原理是將輸入信號分解為包絡信號（即基帶信號）與恒包絡角調信號（即載波信號），將包絡信號通過相位調制器反相調制到兩路恒包絡角調信號中，然后進行變頻和放大，再對兩路信號相減，便可以將包絡信號從相位中解調出來，從而恢復出放大后的原始輸入信號.

圖2 LINC的系統(tǒng)方框圖

如圖2所示，圖中的去包絡電路主要是將輸入信號的包絡去除，得到載波信號.S（t）為輸入帶通信號，通過去包絡電路后得到恒包絡角調信號P（t），再通過同步檢波器，得到包絡信號E′（t），式中：

為獲得兩個分離信號，先分析放大器的反饋環(huán)路，該放大器有比較大的電壓增益Gl＝-V0/Vi，P（t），經(jīng)過相移后再由V0（t）對其進行相位調制，然后經(jīng)過混頻和低通濾波，得到

為了使其閉環(huán)穩(wěn)定，取｜k1V0（t）｜≤π/2.假設放大器的輸入阻抗比R1和R2大得多，可以得到

可以看出，式（8）與式（4）有相同的形式，只要使Gl足夠大就能讓它們充分近似.Gl的大小由LINC總的失真限制規(guī)定，如果k1和K足夠大，Gl就可以小于單位增益，這個基帶放大器就可以用一個被動求和網(wǎng)絡代替，可以增加分量分離器的可實現(xiàn)帶寬.若選擇K、R1和R2的值使得K·R2/R1＝Em，則

那么圖2中的輸出則變?yōu)?/p>

當然，反饋環(huán)路的設計應當滿足相移的要求以及增益對穩(wěn)定性的需要.應該注意，如果反饋環(huán)路中的相位調制器不能使相位線性改變，即不是電壓V0的線性函數(shù)（比如k1是V0的函數(shù)），那么高增益反饋環(huán)路將通過使V0（t）失真使其滿足sin［k1（V0）V0（t）］＝V1（t）和k1（V0）V0（t）＝φ（t）來補償這個缺陷，唯一需要的是圖2中的兩個相位調制器一定要有相同的調制特性k1（V0）.當然，如果調制器能實現(xiàn)sin-1特性，也就不需要反饋環(huán)路了.

這里需要說明一下，文獻［9］中認為通過同步檢波器后輸出的包絡信號是E（t），經(jīng)過反饋電路后，得到.而本文分析經(jīng)過同步檢波器后得到的信號是E′（t），再經(jīng)過電路分析得出式（8）.

1.2 變頻并實現(xiàn)放大

通過把低頻的信號轉換成O1（t）和O2（t）兩路信號，用相同的振蕩器把兩路信號混頻到高頻率并實現(xiàn)功率放大，如圖2.得到

混頻器和放大器可以是非線性的，輸出信號是頻率調制到ω0＋ω1的放大信號.最后經(jīng)過一個減法器，得到

在這里需要指出的是，文獻［9］中推導得出的是4 KG/Em，根據(jù)修改后顯然應該是KG/Em.由此，可以看出，LINC放大器要實現(xiàn)如圖1原理所示的G倍放大，需滿足K＝Em.

2 仿真結果與分析

取K＝0.5，R1＝100Ω，R2＝200Ω，輸入信號恒幅分量的頻率f0＝ω0/2π＝50MHz，調制載頻f1＝ω1/2π＝320MHz，輸入信號的其余參量為θ（t）＝1 000 t，φ（t）＝2π×105t.對電路進行軟件仿真，運行結果如圖3所示，其輸入信號的幅度分別為1V、5 V，包絡周期都為10-5s，電壓放大倍數(shù)為5倍.圖4為對應的功率譜密度，功率分別集中在49.9MHz和369.3MHz.

當輸入信號恒幅分量的頻率改為f0＝5MHz，調制載頻不變時，適當調整采樣頻率，仿真結果如圖5所示.

從圖5可看出，輸出電壓包絡幅度和周期都沒有變化，放大無失真.圖6為其功率譜密度，圖中出現(xiàn)兩個峰值，是因為輸入信號S（t）＝Emsin（φ（t））·cos（ω0（t）＋θ（t））可以看作是雙音信號，由于f0＝5MHz，而MHz，二者相差不大，所以，雙音信號二頻率相差較大，出現(xiàn)明顯頻譜擴散.同理，輸出信號因為頻率相差不大，未出現(xiàn)頻譜擴散.若調整f0或φ/2πt值，使f0與φ/2πt相差很大，則無明顯頻譜擴散現(xiàn)象.

圖6 改變輸入信號恒幅分量頻率后的信號功率譜密度

當基帶頻率不變，調制載頻f1＝3GHz時，仿真結果如圖7所示.輸出信號包絡幅度和周期都無變化，放大信號無失真.

圖8為對應的功率譜密度，功率分別集中在49.9MHz和3.044GHz.

由此可知，對于不同的輸入信號頻率和調制載頻，放大不會產(chǎn)生失真.

當輸入信號幅度變?yōu)?0V，去包絡電路的系數(shù)K變?yōu)?時，仿真結果如圖9所示.圖中輸出信號幅度為50V，是輸入信號幅度的5倍，包絡周期無變化.圖10為對應的功率譜密度，功率分別集中在49.9 MHz和369.3MHz，與沒改變輸入信號幅度前相同.

由此可知，對于不同信號幅度，放大不會產(chǎn)生失真.

3 結 論

LINC技術適用于幅度和相位均有變化的信號，主要是通過將輸入信號變換為恒定包絡的信號來實現(xiàn)線性放大，放大器可以工作在非線性區(qū)域（飽和區(qū)），因此效率很高，對高峰均比信號也不會失真.但是要求上下兩個支路的對稱性要相當好，不能有相位延遲和幅度偏差，兩個放大器的參數(shù)也要完全一致.本文對文獻［9］中考克斯提出的原理進行了改進，提出了自己的改進意見，進行了程序仿真，并分析了結果.仿真結果表明LINC技術適用于不同幅度和頻段（信號基頻和調制載頻）的信號，在無損耗的情況下其放大倍數(shù)是由包絡信號的幅度、去包絡電路的系數(shù)以及放大器增益共同決定，為KG/Em.

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