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自适应前馈射频功率放大器设计

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自适应前馈射频功率放大器设计 现代无线通信的迅猛发展日益朝着增大信息容量,提高信道的频谱利用率以 及提高线性度的方向发展。一方面,人们广泛采用工作于甲乙类状态的大功率微波晶体管 来提高传输功率和利用效率;另一方面,无源器件及有源器件的引入,多载波配置技术的 采用等,都将导致输出信号的互调失真。因此,在设计射频功率放大器时,必须对其进行 线性化处理,以便使输出信号获得较好的线性度。一般常用的线性化技术包括:功率回退、 预失真、前馈等,其中,功率回退技术能有效的改善窄带信号的线性度,而预失真技术和 前馈技术,特别是前馈技术,由于其具有高校准精度,高稳定度以及不受带宽限制等优点, 成为了改善宽带信号线性度时所采用的主要技术。本文首先简述了普通的前馈线性化技 术,而后在此基础上进行改进,添加了自适应算法,并通过信号包络检测技术提取出带外 信号进行调节,从而达到改善输出信号线性度的目的。 2.前馈基本原理最基本的前馈放大器原理如图 1 所示。他由 2 个环路组成:环路 1 由功分 器、主放大器、耦合器 1、衰减器 1、相移器 1、延时线 1、合成器 1 组成。输入的 RF 信 号,即 2 个纯净的载波信号,经功分器后被分成两支路信号:上分支路为主功率放大器支 路,纯净的 RF 载波信号经过该支路后产生放大后的载波信号和互调失真信号;下分支路 为附支路,纯净的 RF 载波信号经过该支路后被延时,主功率放大器支路输出的非线性失 真信号经衰减器 1 和相移器 1 后,与附支路输出的信号在合成器 1 中合成,调节衰减器 1 和相移器 1 使两支路信号获得相等的振幅,180 相位差以及相等的延迟。这时,就能有效 地抵消主功率放大器支路的 RF 载波信号,而提取出由于主放大器非线性放大所产生的互 调失真信号。因此,这一环路又称为 RF 载波信号消除环路。 环路 2,也叫失真信号消除环路,由延时线 2、辅助放大器、衰减器 2、相移器 2、耦合器 2 组成。同样也有两条分支支路:上分支路将主放大器输出的非线性失真信号延时后送人 耦合器 2;下分支路将环路 1 提取出的互调失真信号进行放大,衰减,相移后也送人耦合 器 2,调节衰减器 2 和相移器 2,直到耦合器 2 输出的信号中互调失真信号最小,也就是 IMD 最小,则此时输出的信号就是放大的性的射频信号。 3. 自适应前馈射频功率放大器 3.1 自适应前馈电路的原理及算法 由于在前馈系统中对载波信号的抵消要求很高,内外界环境的变化,诸如:输入信号功率, 直流偏置电压以及环境温度的变化,都容易造成载波信号抵消失灵。因此,引入自适应技 术,以便能及时获得载波信号在振幅,相位以及延时上的匹配,就变得非常有必要了。自 适应前馈系统的结构如图 2 所示。 他由 3 个环路构成:环路 1 主要用于提取互调失真信号,环路 2 主要用于消除失真信号, 而环路 3 则主要用于检测互调失真信号功率。 设输入信号为 in(t),经主放大器后的输出信号为(t),将(t)耦合一部分到矢量调制器 1,用复系数代表矢量调制器 1 的调制系数,同时,将主放大器简化为一个无记忆的非线 性模型,则其 AM/AM 及 AM/PM 传递函数就可以简单的用复电压增益 G()来表示, 其中代表瞬时功率,那么从矢量合成器 1 输出的信号(t)就可以表示为: 在具体的实现结构上,在合成器 1 后面又添加了功分器 2,其目的是对信号 d(t,g, ) 进行功率检测,很明显,如果调节使得合成器 1 两输入信号的幅度,相位以及延迟都达到 匹配,那么这里检测到的功率将只有互调失真信号 e(t)的*均功率尸+而他是很小的, 换句话说,如果检测到功分器 2 输出的功率足够的小,那么此时对的调节就达到了最优, 即 RF 载波信号已被最大程度的消除了,而保留下来的仅有互调失真信号 e(t)。 进入环路 2 的互调失真信号经过辅助放大器放大,矢量调制器 2(其调制系数为复系数) 调节后,与经过延时线 2 的主放大器输出信号在合成器 2 中合成。该环路对互调失真信号 的振幅及相位调节同样也采用自适应技术,其数学原理如上所述,但在实现的结构上,却 与环路 1 不同,环路 1 是通过直接检测合成器 1 的输出信号来判定 RF 载波信号是否被抵 消到最小值,而环路 2 在判定互调失真信号是否被抵消到最小值时,却需要引入第三个环 路。 我们知道,对于相同功率的输出信号,线性信号的包络要大于非线性信号的包络,而二者 的包络差值信号就是互调失真信号,最大限度减小其包络差值信号,就能最大程度地改善 输出信号的线性度,从而减小 IMD。环路 3 的工作原理正在于此。他处理的两路信号一路 是线性信号,即经过延时线 3 及功分器 4 的 RF 载波信号,另一路是非线性信号,即经前 馈系统环路 1 和环路 2 后由合成器 2 输出的信号。首先,环路对两路信号的合成信号进行 功率检测,并调节矢量调制器 3,直到检测到的功率最小,这时,就可以认为线性信号与 非线性信号具有了相同的载波输出功率。而后,再对两路信号分别进行包络检测,提取包 络差值信号,将此包络差值信号作用于矢量调制器 2,即不断调节小最终使带外互调失真 信号减至最小,这时就会获得高线性度的输出信号。 3.2 计算机仿真 应用一个峰值功率为 180W 的 LDMOS 场效应晶体管在计算机仿真系统上设计了一个 25 W 的功率放大器,并对其输入两个频率间隔为 1MHz 的载波信号,用以产生三阶及五阶互调 失真信号。图 3 为在未采用自适应前馈技术时信号的输出情况。此时 IMD3 只能达到-55dBc 左右,IMD5 只能达到-56dBc 左右,而图 4 则是采用该项技术后信号的输出情况。此时 IMD3 可达到-72 dBc 左右,IMD5 可达到-76dBc 左右,其改善程度显而易见。 4.结束本文采用自适应前馈技术并给*缂觳饧际趵瓷杓粕淦倒β史糯笃鳌S捎诟孟罴 术考虑到实际中可能遇到的问题,从而对复杂



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