射頻PA的線性化技術

功率放大器是現(xiàn)代通信中一個重要的元件。

現(xiàn)代通信系統(tǒng)趨向于使用線性調(diào)制方式，這就要求射頻系統(tǒng)具有很好的線性特性。

因此，對功放的輸出進行線性化成為現(xiàn)代通信中一個重要的課題。

在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)之中，射頻前端部件對于系統(tǒng)的影響起到了至關重要的作用。

隨著科技的進步，射頻前端元件如低噪聲放大器（LNA）、混頻器（Mixer）、功率放大器（PA）等都已經(jīng)集成到一塊收發(fā)器之中，但其中對性能影響最大是功率放大器。

功率放大器是一種將電源所提供的能量提供給交流信號的器件，使無線信號可有效地發(fā)射出去。

根據(jù)功率放大器的分析模型（泰勒級數(shù)模型），可知當輸入信號的幅度很小的時候，對于功率放大器的非線性特性影響較小。

但當輸入信號的幅度比較大的時候，就會對功率放大器的非線性度產(chǎn)生很大的影響，所以說對功率放大器的非線性性能產(chǎn)生影響的關鍵因素就是輸入信號幅度的增強并且不斷地變化。

隨著無線用戶數(shù)量人數(shù)的不斷增加，有限的通信頻段變得越來越擁擠。

為了提高頻譜的利用效率，線性化調(diào)制技術技術譬如正交幅度調(diào)制（QAM）、正交相位鍵控（QPSK）、正交頻分復用（OFDM）就在現(xiàn)代的無線通信之中就被廣泛的應用，因為這幾種技術的頻譜利用率更高。

但是這些線性化調(diào)制技術都是包絡調(diào)制信號，這就必然會引入非線性失真的問題。

通信系統(tǒng)中的很多有源器件都是非線性器件，一旦包絡調(diào)制信號通過該系統(tǒng)時，就會產(chǎn)生非線性失真，諧波的頻段很多時候會影響到相鄰的信道中的信號，會對系統(tǒng)產(chǎn)生一定程度的干擾，因此高功率高頻率的射頻發(fā)射系統(tǒng)的輸入信號也必須控制在一定的幅度范圍以內(nèi)。?

對于那些包絡變化的線性化調(diào)制技術就必須采用線性發(fā)射系統(tǒng)。

然而發(fā)射系統(tǒng)中非線性最強的器件是功率放大器，同時發(fā)射系統(tǒng)都要求有盡量高的發(fā)射效率，所以為了效率，射頻功放基本都工作在非線性狀態(tài)，所以如何提高功率放大器的線性度就顯得異常關鍵。

現(xiàn)在整個通信領域，射頻功率放大器的線性化技術已成為一個越來越重要的研究領域。

CHRENT射頻PA的線性化技術

射頻功率放大器的非線性失真會使其產(chǎn)生新的頻率分量，對于二階失真會產(chǎn)生二次諧波和雙音拍頻，對于三階失真會產(chǎn)生三次諧波和多音拍頻。

這些新的頻率分量如落在通帶內(nèi)，將會對發(fā)射的信號造成直接干擾，如果落在通帶外將會干擾其他頻道的信號。

為此要對射頻功率放大器的進行線性化處理，這樣可以較好地解決信號的頻譜再生問題。?

射頻功放基本線性化技術的原理與方法不外乎是以輸入RF信號包絡的振幅和相位作為參考，與輸出信號比較，進而產(chǎn)生適當?shù)男Ｕ?/span>

目前己經(jīng)提出并得到廣泛應用的功率放大器線性化技術包括，功率回退，負反饋，前饋，預失真，包絡消除與恢復（EER），利用非線性元件進行線性放大（LINC）?。

較復雜的線性化技術，如前饋，預失真，包絡消除與恢復，使用非線性元件進行線性放大，它們對放大器線性度的改善效果比較好。

而實現(xiàn)比較容易的線性化技術，比如功率回退、負反饋這些技術對線性度的改善就比較有限。

功率回退

這是最常用的方法，即選用功率較大的管子作小功率管使用，實際上是以犧牲直流功耗來提高功放的線性度。?

功率回退法就是把功率放大器的輸入功率從1dB壓縮點

放大器有一個線性動態(tài)范圍，在這個范圍內(nèi)，放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加。隨著輸入功率的繼續(xù)增大，放大器漸漸進入飽和區(qū)，功率增益開始下降，通常把增益下降到比線性增益低1dB時的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點，用P1dB表示。

向后回退6-10個分貝，工作在遠小于1dB壓縮點的電平上，使功率放大器遠離飽和區(qū)，進入線性工作區(qū)，從而改善功率放大器的三階交調(diào)系數(shù)。

一般情況，當基波功率降低1dB時，三階交調(diào)失真改善2dB。?

功率回退法簡單且易實現(xiàn)，不需要增加任何附加設備，是改善放大器線性度行之有效的方法，缺點是效率大為降低。

另外，當功率回退到一定程度，當三階交調(diào)制達到-50dBc以下時，繼續(xù)回退將不再改善放大器的線性度。因此，在線性度要求很高的場合，完全靠功率回退是不夠的。

預失真

預失真就是在功率放大器前增加一個非線性電路用以補償功率放大器的非線性失真。

預失真線性化技術，它的優(yōu)點在于不存在穩(wěn)定性問題，有更寬的信號頻帶，能夠處理含多載波的信號。

預失真技術成本較低，由幾個仔細選取的元件封裝成單一模塊，連在信號源與功放之間，就構(gòu)成預失真線性功放。

手持移動臺中的功放已采用了預失真技術，它僅用少量的元件就降低了互調(diào)產(chǎn)物幾dB，但卻是很關鍵的幾dB。?

預失真技術分為RF預失真和數(shù)字基帶預失真兩種基本類型。

RF預失真一般采用模擬電路來實現(xiàn)，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于高頻、寬帶應用等優(yōu)點，缺點是頻譜再生分量改善較少、高階頻譜分量抵消較困難。?

數(shù)字基帶預失真由于工作頻率低，可以用數(shù)字電路實現(xiàn)，適應性強，而且可以通過增加采樣頻率和增大量化階數(shù)的辦法來抵消高階互調(diào)失真，是一種很有發(fā)展前途的方法。

這種預失真器由一個矢量增益調(diào)節(jié)器組成，根據(jù)查找表（LUT）的內(nèi)容來控制輸入信號的幅度和相位，預失真的大小由查找表的輸入來控制。

矢量增益調(diào)節(jié)器一旦被優(yōu)化，將提供一個與功放相反的非線性特性。

理想情況下，這時輸出的互調(diào)產(chǎn)物應該與雙音信號通過功放的輸出幅度相等而相位相反，即自適應調(diào)節(jié)模塊就是要調(diào)節(jié)查找表的輸入，從而使輸入信號與功放輸出信號的差別最小。

注意到輸入信號的包絡也是查找表的一個輸入，反饋路徑來取樣功放的失真輸出，然后經(jīng)過A/D變換送入自適應調(diào)節(jié)DSP中，以更新查找表。?

CHRENT數(shù)字預失真技術

數(shù)字預失真技術是指在通信系統(tǒng)的基帶部分完成信號預失真的功能，以得到能夠滿足功率放大器線性化指標。

在數(shù)字預失真技術中DSP、FPGA（Field?Programmable?Gate?Array）芯片是預失真系統(tǒng)的主要組成部分。

調(diào)制信號通過預失真器得到失真信號，失真信號通過D／A轉(zhuǎn)換器變成模擬信號，模擬信號被調(diào)制到RF載波信號上，最后進入RF功率放大器，得到線性化輸出。

RF功率放大器的輸出被定向耦合器提取一部分，經(jīng)過解調(diào)后返回到基帶部分，該信號通過A／D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，該信號是用來調(diào)節(jié)預失真的性能，使得輸出信號的線性化更加可觀。

CHRENT模擬預失真技術

模擬預失真技術的實現(xiàn)有多重方式。

如串聯(lián)二極管預失真器，它主要有一個肖特基二極管并聯(lián)一個電容來實現(xiàn)的。這種結(jié)構(gòu)可以在低電壓偏置下獲得正的幅度和負的相位。

通過調(diào)節(jié)偏壓和電容來完成預失真器的功能，從而使得預失真器的非線性與放大器的非線性完全相反。

但其對線性度改善并不明顯，不過卻是一種低成本的簡單可行的方法。

此外還有并聯(lián)二極管預失真器。

另外采用變?nèi)荻O管實現(xiàn)預失真功能也是一種常用的方法，該方法主要有兩部分功能區(qū)改善功率放大器的線性度。

變?nèi)荻O管是用來補償功率放大器的AM-PM效應，而為了補償功率放大器的AM-AM效應，該預失真器引入了二階諧波控制技術。

該技術比起簡單的串、并聯(lián)二極管技術，它的插入損耗要低很多。

該技術應用于砷化鎵場效應單管功率放大器變?nèi)荻O管可以對GaAs?FET輸入端進行容性補償，目的在于消除功率放大器的?AM-PM效應。

采用二階諧波注入技術補償了功率放大器的AM-AM非線性特性。

這樣就可以很好的消除AM-PM、AM-AM效應，從而使功率放大器的線性度有所改善。

另外還有諸如場效應管預失真器，諧波預失真器，二極管反向平行對的預失真器等模擬預失真技術。

前饋

前饋技術起源于“反饋”，應該說它并不是什么新技術，早在二三十年代就由美國貝爾實驗室提出來的。

除了校準（反饋）是加于輸出之外，概念上完全是“反饋”。??

前饋線性放大器通過耦合器、衰減器、合成器、延時線、功分器等組成兩個環(huán)路。

射頻信號輸入后，經(jīng)功分器分成兩路。

一路進入主功率放大器，由于其非線性失真，輸出端除了有需要放大的主頻信號外，還有三階交調(diào)干擾。

從主功放的輸出中耦合一部分信號，通過環(huán)路1抵消放大器的主載頻信號，使其只剩下反相的三階交調(diào)分量。

三階交調(diào)分量經(jīng)輔助放大器放大后，通過環(huán)路2抵消主放大器非線性產(chǎn)生的交調(diào)分量，從而了改善功放的線性度。?

前饋技術既提供了較高校準精度的優(yōu)點，又沒有不穩(wěn)定和帶寬受限的缺點。

當然，這些優(yōu)點是用高成本換來的，由于在輸出校準，功率電平較大，校準信號需放大到較高的功率電平，這就需要額外的輔助放大器，而且要求這個輔助放大器本身的失真特性應處在前饋系統(tǒng)的指標之上。?

前饋功放的抵消要求是很高的，需獲得幅度、相位和時延的匹配，如果出現(xiàn)功率變化、溫度變化及器件老化等均會造成抵消失靈。為此，在系統(tǒng)中考慮自適應抵消技術，使抵消能夠跟得上內(nèi)外環(huán)境的變化。

CHRENTLINC技術和CALLUM技術

LINC(Linear?amplification?with?Nonlinear?Components)線性化技術是在1974年提出的。

LINC技術更適合幅度和相位同時變化的調(diào)制技術。

LINC技術把帶通輸入信號分成兩個只有恒包絡信號Sl、S2。

但是它們的相位卻是變化的。

這兩個恒包絡信號分別通過上下支路的功率放大器，分別放大后再進行合成，就可以實現(xiàn)輸入信號的放大功能。

信號分離是利用DSP來完成實現(xiàn)的。

當信號被分離以后，經(jīng)過放大器放大后，再經(jīng)過合成器合成，最終在輸出端得到輸入信號的放大信號。

其中比較難控制的是，如何使兩個放大器支路做到完全匹配，并且有著相同的相位和增益特性。

對于相位相同的信號能夠進行相加，而對于相位相反的信號能夠做到相減，也就是能夠做到相互抵消。

CALLUM(Combined?Analogue.Locked?L00p?Universal?Modulator)是一種起源LINC的技術。

CALLUM技術采用笛卡兒反饋，輸出信號被反饋回去，應用QAM下變頻為正交信號分別與基帶的正交信號分量進行比較。

因為LINC在其支路上很難實現(xiàn)增益和相位的完全匹配，所以對失真信號的消除改變不夠明顯。

而CALLUM受限于其反饋結(jié)構(gòu)，只能在窄帶通信系統(tǒng)中使用。

經(jīng)過功率放大器輸出后進行合成，正是這種合成使得效率和功率大大消減。

在當今的線性化技術中，各個技術都有其的優(yōu)缺點，為了彌補技術本身的缺點，通常可以把幾種技術結(jié)合起來，達到取長補短的作用。

比如就有包絡反饋預失真、RF反饋與前饋結(jié)合等技術的誕生。

CHRENTEER技術

EER(Envelope?EliminaTIon?and?RestoraTIon)技術中射頻輸入信號的幅度和相位分開，相位信號經(jīng)過非線性功率放大器。?

此類放大器工作在開關狀態(tài)，故從理論上來講會有100％的效率。

同樣，幅度信號在被放大之前可以從射頻輸入信號分離出來。

而在信號被放大的過程中，包絡信號又可以恢復到載波信號中，這是根據(jù)射頻功率放大器的偏置電壓做到的。

幅度信號和相位信號在時間要求方面要盡量一致。

針對這一問題，故在相位信號支路加入延時線，力求根據(jù)控制該線的長短來滿足上述要求。

當然EER技術本身也存在缺點。

如前面所描述的那樣，當包絡恢復到載波信號時，是根據(jù)調(diào)節(jié)射頻功率放大器的偏置電壓來完成實現(xiàn)的，其實調(diào)節(jié)漏極電壓來校正放大器的輸出信號的幅度時，相位本身也在變化。

這樣就會把有用信號的頻譜延伸，從而消弱了射頻功率放大器的線性度。

另外，包絡恢復反饋環(huán)路的動態(tài)范圍也比較小。

來源：5G通信射頻有源無源濾波器天線