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一種改善射頻功率放大器非線性的預(yù)失真法

時(shí)間：2009-08-07 10:11:59

關(guān)鍵字：射頻功率放大器線性 BSP 諧波

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[導(dǎo)讀]提出了一種改善射頻功率放大器非線性的新的預(yù)失真法。該方法沒有前饋法復(fù)雜，也克服了反饋法增益下降的缺點(diǎn)。首先分析功率放大器的傳輸特性進(jìn)行，并從冪級(jí)數(shù)的展開式中得到方便分析的結(jié)論；然后通過對(duì)方案中參數(shù)的分析，找到能夠改善功率放大器非線性的辦法；最后給出了計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用該方法改善功率放大器的非線性比較有效，可以使IMD3的功率電平至少下降34 dBm。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，特別是第三代通信系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用及藍(lán)牙技術(shù)的研發(fā)涌現(xiàn)，要求射頻（RF）或微波功率放大器(PA)有很好的線性特性，而用來表示線性特性的參數(shù)往往是三階交調(diào)產(chǎn)物的功率電平。這是由于功率放大器是一種非線性器件，不管其工作在線性區(qū)（即弱非線性區(qū)）還是在非線性區(qū)（即強(qiáng)非線性區(qū)），都會(huì)產(chǎn)生非線性產(chǎn)物，只不過工作在線性區(qū)時(shí)，非線性產(chǎn)物功率電平較低，一般只考慮其三階交調(diào)量即可；而當(dāng)其工作在或接近1 dB增益壓縮點(diǎn)時(shí)，其非線性產(chǎn)物功率電平就很高，此時(shí)，五階交調(diào)量（IMD5）甚至七階交調(diào)量(IMD7)都必須予以考慮。?
    對(duì)于應(yīng)用在基站和手機(jī)中的射頻功率放大器，在維持可接受的功率附加效率(PAE)的條件下，采取有效的辦法來減小其交調(diào)產(chǎn)物的功率電平往往是非常必要的。改善功率放大器非線性的常用方法有前饋法，反饋法和預(yù)失真法等。其中，反饋法是出現(xiàn)較早的一種方法，但由于反饋法采用了閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)，以至使功率放大器的增益下降，而前饋法又過于復(fù)雜，若其各相消環(huán)均采用了下變頻轉(zhuǎn)換器還會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。本文所提出的方法，非但沒有降低放大器的增益，而且由于其電路沒有解調(diào)器或下變頻轉(zhuǎn)換器，故較笛卡兒反饋法和中頻反饋法簡(jiǎn)單，易于調(diào)試。?
1 基本原理?
    以下分析均假定功率放大器工作在弱非線性區(qū)。我們假設(shè)功率放大器的非線性特性可以用下述無窮項(xiàng)的冪級(jí)數(shù)描述：
(1)
    其中v_i(t)為功率放大器的輸入信號(hào),v_o(t)是功率放大器的輸出信號(hào)，如圖1所示。

若輸入為雙頻等幅信號(hào)，即：

其中ω1≠ω₂，那么，功率放大器的輸出可以表示為：

    由式（3）和式(4)可以得到如下的結(jié)論：?
    ①式(1)中的奇次方項(xiàng)產(chǎn)生了輸出信號(hào)的奇階諧波頻率分量和交調(diào)頻率分量，其中奇階諧波頻率分量被濾除；?
    ②偶次方項(xiàng)除了產(chǎn)生直流分量外，還產(chǎn)生了偶階諧波頻率分量，但均被濾除；
    ③較高奇次方項(xiàng)對(duì)較低階交調(diào)頻率分量均有貢獻(xiàn)。?
    如果我們?cè)诜糯笃鞯妮斎胄盘?hào)中加入適當(dāng)?shù)氖д嫘盘?hào)（如三階交調(diào)成分），使輸入信號(hào)預(yù)先發(fā)生失真，即：

其中:，φ₁，φ₂圖2設(shè)計(jì)方案是三階交調(diào)失真成分的幅度及相位。設(shè)計(jì)方案如圖2所示，其中，輸入的射頻信號(hào)被分裂成兩路：下通路信號(hào)被前饋到合成器(1)，與反饋回來的信號(hào)(經(jīng)延時(shí)和衰減)相加，然后經(jīng)過移相和放大，最后出來的是信號(hào)的失真成分；另一路直接饋到合成器(2)，與下通路饋來的失真成分相加。最后在功率放大器的輸入端得到輸入信號(hào)的失真成分。?
把式(5)代入式(1)，并令K=（為某一常數(shù)），則：

顯然，如果式(7)中的ρ，φ₁和φ₂選擇得當(dāng)，就可以使得三階交調(diào)產(chǎn)物相互抵消，從而使得功率放大器最終輸出的三階交調(diào)量為零。同樣地，如果我們采用五階交調(diào)產(chǎn)物作為輸入信號(hào)的預(yù)失真成分，適當(dāng)調(diào)節(jié)其幅度和相位，也可以使得功率放大器最終輸出的五階交調(diào)量幾乎為零。值得注意的是，在圖2中并沒有使用非線性器件作為預(yù)失真器，此外，產(chǎn)生預(yù)失真成分所使用的是三階交調(diào)量，與文獻(xiàn)使用的諧波成分是不同的。?
2 計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果?
用式（1）對(duì)一工作在800 MHz的功率放大器的傳輸特性進(jìn)行逼近，擬合出該功率放大器的傳輸特性，其相應(yīng)的曲線如圖3所示。?

然后通過計(jì)算機(jī)仿真，得到功率放大器輸出的功率譜。仿真結(jié)果表明，這種方法是比較有效的，降低三階交調(diào)量(IMD3)超過34 dBm。圖4和圖5分別表示沒有預(yù)失真改善措施時(shí)功率放大器的功率譜和采用預(yù)失真改善措施后功率放大器的功率譜。應(yīng)注意到，通帶外的諧波成分經(jīng)濾波器濾波后幾乎被完全慮除，故在分析時(shí)不作考慮。?
3 結(jié)論 ?
理論分析和計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果均表明，通過前饋和反饋得到輸出信號(hào)的交調(diào)失真成分，正確調(diào)節(jié)其幅度和相位，并把他作為輸入信號(hào)的預(yù)失真成分，經(jīng)過功率放大器的非線性作用后，確實(shí)可以改善交調(diào)量的性能。該方法可以和文獻(xiàn)一樣降低IMD3超過34 dBm。此外，該方法使用的并不是直接的反饋法，而是通過反饋和前饋得到信號(hào)的失真成分，所以保證了增益不下降，這由仿真圖也可以得到證明。

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