前饋?zhàn)赃m應(yīng)射頻功率放大器線性技術(shù)研究

1、前饋?zhàn)赃m應(yīng)射頻功率放大器線性技術(shù)研究前饋?zhàn)赃m應(yīng)射頻功率放大器線性技術(shù)研究劉迪迪王華段吉海_圃國(guó)介紹一種用于改善射頻功率放大器非線性失真的前饋技術(shù),并基于前饋系統(tǒng),增加了自適應(yīng)控制電路,提出使輸出的交調(diào)信號(hào)功率最小化的方法來(lái)分別控制兩個(gè)支路上的相位和幅度調(diào)節(jié)器,使系統(tǒng)性能穩(wěn)定:本文較詳盡地討論了系統(tǒng)工作原理,通過(guò)ADS軟件仿真.結(jié)果說(shuō)明能顯著改善IMD性能劉迪迪(1980一),女,江蘇豐縣人,桂林電子工業(yè)學(xué)院通信與信息工程系碩士研究生王華男,博士,畢業(yè)于華中科技大學(xué),桂林電子工業(yè)學(xué)院通信與信息工程碩士研究生導(dǎo)師段吉海男,副教授,桂林電子工業(yè)學(xué)院通信與信息工程碩士研究生導(dǎo)師1引言為在提高頻帶利用的

2、有效性,現(xiàn)代無(wú)線通信采用利用率更高的調(diào)制方式,如QPSK,16QAM,由于功率放大器采用的是微波功率晶體管,為有效地利用功率,通常都工作在甲乙類狀態(tài),這時(shí)功率放大器存在非線性特性,將引起交調(diào)失真和頻譜擴(kuò)展,從而導(dǎo)致頻道之間的互相串?dāng)_.解決這個(gè)問(wèn)題的一般方法是采用大功率放大器進(jìn)行功率回退,使其工作在線性放大區(qū),但這種情況下減小了放大器的功率效率.因此在設(shè)計(jì)射頻功率放大器時(shí),必須對(duì)其進(jìn)行線性化處理,以便輸出信號(hào)獲得較好的線性度.一般常用的線性化技術(shù)有:前饋線性化技術(shù),預(yù)失真線性化技術(shù),負(fù)反應(yīng)線性化技術(shù).其中前饋技術(shù),由于具有較高的標(biāo)準(zhǔn)精度,高穩(wěn)定度以及不受帶寬限制等優(yōu)點(diǎn),成為了改善寬帶信號(hào)線性度時(shí)

3、所采用的主要技術(shù).2前饋放大器的根本原理最根本的前饋放大器原理如圖1所示分為兩個(gè)環(huán)路.在第一回路中,射頻輸入信號(hào),經(jīng)功分器后被分成兩支路信號(hào).上分支路為主功率放大器支路,純潔的RF載波信號(hào)經(jīng)輸圖1前饋放大器原理信號(hào);IJllllJllllIllllllfJIlllfJllllIJIlllfJJllJjlJllIl國(guó)固圜困,前饋?zhàn)赃m應(yīng)射頻功率放大器線性技術(shù)研主放大器產(chǎn)生放大的載波信號(hào)和互調(diào)失真信號(hào);分支路為附支路,載波信號(hào)經(jīng)過(guò)該支路被延時(shí)后,與主功率放大器支路輸出的非線性失真信號(hào)在合成器1中相減,這時(shí),就能有效地抵消主功率放大器支路的RF載波信號(hào),而提取出互調(diào)失真信號(hào).因此,這一環(huán)路又稱為RF載

4、波信號(hào)消除環(huán)路.I作過(guò)程可由公式(1)表示:設(shè)系統(tǒng)輸入信號(hào)為,從主放大器的輸出信號(hào)為V¨.戶+(1)(,和,分別是主放輸出信號(hào)的時(shí)延和增益,促主放產(chǎn)生的失真信號(hào)),到達(dá)減法器的主放大器產(chǎn)生信號(hào)的大小是由耦合器C的耦合因子決定的,設(shè)這一耦合因子為1,那么如式(2)所示:戶專戶lIfff+(2)減法器的另一局部輸入信號(hào)為V.,是由凈輸入信號(hào)延時(shí)而得:.rf盧(TT,是這一單元的時(shí)延),那么減法器的輸出信號(hào),即檢測(cè)到的失真信號(hào)如式(3)所示:vV-Vs+;h2(1j=A41V,+一e.(3)從式(3)可以看出,當(dāng),=,C,.,時(shí),系統(tǒng)輸入信號(hào)將被完全消除,而只剩下失真信號(hào),如式(4)所示:

5、,I=(4)環(huán)路2,也叫失真信號(hào)消除環(huán)路,同樣也有兩條分支支路:分支路將主放大器輸出的非線性失真信號(hào)延時(shí)后入耦合器2;分支路將環(huán)路1提取出的互調(diào)失真信號(hào)進(jìn)行放大,也送入耦合器2,與延時(shí)的非線性信號(hào)反相疊加.從而抵消主功率放大器的失真,得到放大的,線性的射頻信號(hào).I作過(guò)程如下:第二局部環(huán)路的工作原理與第一環(huán)路類似,設(shè)從放A.的增益為,時(shí)延為耦合器的耦合因子為毒,且第二環(huán)路上一路的時(shí)延為,那么放大器的總輸出如式(5)所示:Vt=丁aliVi.-JfT,;+TrI+Vd一一(5)由式(5)可見(jiàn),當(dāng)=,A=c,時(shí),失真信號(hào)將完全消除,此時(shí)輸出信號(hào)變?nèi)缡?6)所示:Vft=v(t=vtl61由此不難看出

6、經(jīng)前饋放大器放大后的輸出信號(hào)已不含失真信號(hào).而只含輸入信號(hào)成分.3自適應(yīng)前饋電路的原理和算法前面的討論是基于理想的情況,但是,在工作環(huán)境變化時(shí)(溫度,時(shí)間,工作頻率及電源電壓值發(fā)生改變).電路的參數(shù)變化不可能嚴(yán)格地保持一致,從而造成放大線性的惡化,所以需要自適應(yīng)控制網(wǎng)絡(luò)來(lái)分別實(shí)時(shí)調(diào)整兩個(gè)環(huán)路的增益和相位匹配.兩個(gè)環(huán)的控制準(zhǔn)那么都采用使輸出的交調(diào)信號(hào)功率最小化的方法來(lái)分別控制兩個(gè)之路上的相位和幅度調(diào)節(jié)器(矢量調(diào)制器).從放大器的輸出端和信號(hào)的輸出端抽取輸出信號(hào)經(jīng)功放抽樣耦合器監(jiān)鐾輸出耦合器輸艏延遲線放廠I,圖2自適應(yīng)前饋射頻功率放大器的原理61te0了olog一ntel_l口1w圓圈圉園6經(jīng)驗(yàn)交

7、率檢測(cè)電路送入到控制電路.從前面的分析,當(dāng)溫度變化或其他因素引起環(huán)路參數(shù)不滿足上述條件時(shí),控制電路控制衰減器和相移器來(lái)補(bǔ)償變化使?jié)M足上述條件,顯然,控制電路只要控制矢量調(diào)制器使輸出的交調(diào)信號(hào)功率最小便可實(shí)現(xiàn).設(shè)矢量調(diào)制器1的復(fù)系數(shù)為o【,將主放大器簡(jiǎn)化為一個(gè)無(wú)記憶的非線性模型,那么其AM/AM及AM/PM傳遞函數(shù)就可以簡(jiǎn)單的用復(fù)電壓增益GfXJ來(lái)表示,其中X代表瞬間功率,那么從矢量調(diào)制器1輸出的信號(hào)J可表示為:V戶Gfdf(7)庖含了對(duì)輸入信號(hào)的線性放大成分和非線性放大成分.顯然復(fù)系數(shù)是幅度8和相位的函數(shù),即:Vtj=V(118.審)L81該信號(hào)與經(jīng)延時(shí)線1后得到的信號(hào)一T在合成器1中合成,可

8、得到差值信號(hào):,8,妒戶.,8,+,n一(9)這樣,調(diào)節(jié)就是調(diào)節(jié)合成器1兩輸入信號(hào)的相對(duì)幅度和相位.調(diào)節(jié)的依據(jù)就是要尋找優(yōu)化的方向,及步長(zhǎng)p,由于梯度的方向旦,是函數(shù)V,8,J長(zhǎng)最快的方向,而,8,J增大那么意味著兩路信號(hào)的振幅,相位差以及延遲未到達(dá)匹配的程度最大,反之那么意味著兩路信號(hào)的振幅,相位差以及延時(shí)最正確趨于匹配.而在實(shí)際應(yīng)用中,無(wú)法獲得和的值.因此,就必須對(duì)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化:用d來(lái)代替和,并對(duì)V,8,進(jìn)行采樣,a8d分別得到第n一1次及n次信號(hào)dd,據(jù)兩次信號(hào)之差來(lái)調(diào)節(jié)衰減和相移:8,一-Adxp(10):-Adxp(11)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整衰減和相移便可使Ad減小,從而產(chǎn)生更佳的RF載波抵消

9、效果.環(huán)路2中矢量調(diào)制器2的調(diào)制系數(shù)為,該環(huán)路對(duì)互調(diào)失真信號(hào)的振幅及相位調(diào)節(jié)同樣也采用自適應(yīng)技術(shù),其數(shù)學(xué)原理跟環(huán)路1相同,從而來(lái)判定互調(diào)失真信號(hào)是否被抵消到最小值.4仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)用ADS(AdvancedDesignSystem)仿真實(shí)驗(yàn),加入的是兩個(gè)頻率間隔為1MHz的載波信號(hào),用于產(chǎn)生三階及五階互調(diào)失真信號(hào).控制電路利用使輸出的交調(diào)信號(hào)功率最小的準(zhǔn)那么,來(lái)控制兩個(gè)回路的可變衰減器和可變相移以保持上下兩路的時(shí)延等因素相匹配,工作于最正確點(diǎn).結(jié)果說(shuō)明,三階交調(diào)能獲得40dB的改良,五階交調(diào)可獲得65dB的改良,如圖3所示.功率放大器的輸出的三階互調(diào)最大可抑制到一90dB以下.圖3加線性化電路后交

10、調(diào)改良仿真0I移前饋?zhàn)赃m應(yīng)射頻功率放大器線性技術(shù)研究.-每.-5結(jié)論理論分析和大量功率放大器實(shí)驗(yàn)及ADS仿真實(shí)驗(yàn)表明,自適應(yīng)前饋式線性化技術(shù)對(duì)RF功率放大器進(jìn)行線性化補(bǔ)償,可以大大提高微波功率放大器的線性度,從而到達(dá)減小各諧波和互調(diào)分量的目的.因此,這種放大器能容易地滿足現(xiàn)代通信信號(hào)電磁環(huán)境模擬器對(duì)諧波和互調(diào)失真的技術(shù)指標(biāo)要求:三階互調(diào)優(yōu)于一38dB,二階互調(diào)優(yōu)于一2OdB,三階諧波抑制優(yōu)于40dB.參考文獻(xiàn)1KeningtonPB.HighlinearityIKFamplifierdesign.ArtechHousenficrowavelibrary.2()00:251348.2Pothec

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