多载波线性功放技术与应用

. 线性功率放大器的基本特点
线性功率放大器就是将高频小信号无失真的 放大到所要求的功率信号输出的电路。理想的线 性功率放大器满足叠加原理，即多种频率分量输 入时，输出端口不会产生新的频率分量。 但实际中的线性功率放大器并不是理想的， 总会或多或少地产生失真。衡量一个线性功率放 大器性能的主要参数有：最大输出功率、射频工 作带宽、工作效率、线性增益、三阶交调截断点 /01 和三阶交调产物 /’1。
# 引言
数字移动通信技术的迅速发展，对无线信道 的容量要求越来越大，为了节省有限的频谱资 源，许多新型的通信体制被应用于现代的数字通 信 系 统 中 ， 如 频 分 多 路 $ %&’( ) 、 时 分 多 路 $ *&’( ) 、 码 分 多 路 $ +&’( ) 、 多 载 波 码 分 多 路 $ +&’( , ’+ ) 以及正交频分多路 $ -%&’ ) 等体制。 所有采用这些体制的通信系统都有着一个共同的 特点，即或者多载波或者基带频谱有较大的动态 范围，或者两者皆有。这样，就对系统发射机中 的功率放大器的线性度提出了比较苛刻的要求。 由于功率放大器的非线性直接影响着这些通信系 统的性能参数和技术指标，所以线性功率放大器 在现代通信技术中的地位越来越突出，应用越来 越广泛。本文将对多载波线性功率放大器的技术 实现和在现代通信系统中的应用两个方面进行综 合性的讨论和介绍。
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和微波段，反馈环路的相移很难控制。虽然以正 交分量形式提供反馈的笛卡尔环技术也是一种反 馈技术，采用这种技术的线性功率放大器可以把 互调产物抑制 "#$%，但这一技术主要使用在窄带 系统中，无法实现宽带的性能。实践表明，真正 能够满足多载波线性功率放大器技术要求的线性 化技术目前只有前馈技术。 &’ ! 前馈线性化技术的基本原理 前馈线性化功放的原理框图如图 ! 所示：
/ 结论
随着现代通信事业的快速发展和各种新技术 的不断进步，线性功率放大器技术越来越成熟， 应用越来越广泛。在不远的将来，线性功率放大 器将会占据整个通信设备中的主要位置。
参考文献
6 $ 7 张玉兴编著 # 射频模拟电路 # 北京：电子工业出版 社， -886 - 7 杨小牛，楼才义，徐建良等 # 软件无线电原理与应 用 # 北京：电子工业出版社， -88$ 6 . 7 冯锡生，样吉祥，赵冬梅等编译 # 集群通信和码分多 址技术 # 北京：中国铁道出版社， -88$ !
1 多载波线性功放技术及实现
为了满足多载波系统性能的要求，一般要求 发射机的互调产物要比发射信号低 2345，也就是 说线性功率放大器的失真要小于 2 , #3。按现有的 器件水平进行设计，最好的普通线性功率放大器 的互调产物只能做到比额定功率低 6345 左右，为 了 把 其 降 低 到 比 额 定 功 率 低 2345， 需 功 率 回 退 .345，这就意味着原来 #337 的功放现在变成了 #7 的 输 出 ， 其 效 率 更 是 降 为 原 效 率 的 #8 。 显 然，使用功率回退法是达不到指标要求的，必须 采用线性化技术来实现。 目前，功率放大器的线性化技术主要有三 种，即前馈技术、负反馈技术和预失真技术。在 这三种技术当中，前馈技术能够很好地消除二阶 和三阶非线性，稳定性最好，但技术要求最高， 制造成本也最高。预失真技术频带较宽，电路相 对简单，但因其开环特性使得校准精度不高，所 以非线性产物的抑制度很难提高。负反馈技术实 现起来最简单，一般都是在低频段使用，在高频
相对于普通的非线性功率放大器而言，线性 功率放大器主要具有以下一些特点： " 线性度较高，输出失真小； " 射频工作带宽较宽，可应用于宽带传输系 统和多载波放大系统； " 幅度特性和相位特性好，能够用在幅度调 制和相位调制的系统中； " 工作效率较低，需要的散热面积较大； " 实现技术复杂，制作成本较高。
图!
前馈线性化功放原理图
而且是互易性器件。 * & + 保证输出增益和 相位误差的跟踪精度。为了保持功放最后的互调 产物输出的抵消效果，要求输出增益和相位跟踪 误 差 必 须 低 于 #’ #!$% 振 幅 和 #’ #! 度 相 位 。 目 前，基于高速 <=/ 芯片的前馈环路调整技术可以 容易实现这个要求，然而，要想在整个频率和温 度范围内保持最佳增益和相位跟踪，现在仍然是 前馈放大器设计中最具挑战的课题。 *9+ 根 据 实 际 情 况 设 计 环 路 中 的 “ 延 迟 器”。由于多级放大器“延迟”的等效电长度可 达数米甚至更长，如果采用简单的传输线延迟线 实现“延迟器”往往达不到综合性能要求，而采 用集中元件匹配网络实现“延迟器”却没有足够 精密的线性相频特性。所以，用何种方法实现 “延迟器”，要根据功率放大器技术指标要求的 侧重点来定。 &’ & 一种实用的前馈线性化放大器 图 ) 所示为一种实用的基于前馈技术的多载 波线性化功率放大器原理方框图，其主要技术参 数如下： " 最大输出功率： !##>； # 射频工作带宽 ? @##;AB C D##;AB； $ 工作效率 ? . !)E ； % 线性 增益 ? 8#$%； & 互调产物抑制 ? . F#$%； ’ 供电： <4)9G 。
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线性功率放大器在现代通信系统 中的应用
线性功率放大器能使现代无线通信系统拥有
上，针对不同的调制类型，通过使用不同的软件 改变算法来实现各种调制才是切实可行的。然 而，无论器件如何发展都不可能把射频功率放大 器部分数字化和软件化。所以，高性能的线性功 率放大器是软件无线电设备中必不可少的部分。 !# / 有线电视 0 1234 5 通信系统 有线电视是现代信息传输的主要媒体之一， 其特点是频带宽、传输的节目套数多。现有的模 拟传输体制都是通过频分的方式确定不同的频 道，所以，电缆的干线放大器和线缆延长放大器 采用的都是多载波线性功率放大器。即使是将来 的数字化有线电视通信系统仍然离不开线性功率 放大器。
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放大器才能满足系统的使用要求。 !# . 微波中继通信系统 微波中 继通信主 要用来 传输 长途 电话信 号、宽频 带信号 、数 据信 号、移 动通信系 统基站 与移 动业 务交换 中心之间 的信号 等。 无论 是宽带 传输的特 性，还 是数 字调 制解调 技术的要 求，都 对信 道的 幅相畸 变、线性 性能有 着一 定的 要求。 采用普通 的线性 功率 放大器基本上能够满足这些要求。 !# ! 软件无线电设备 在软件 无线电设 备当中 ，各 种调 制信号 的带宽、 幅度、 相位 等参 数各不 相同，每 一种调 制都 图多载波线性化功率放大器原理方框图 用硬件的方法来实现是不现实 的。 只有在 一个通用 的硬件 平台
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武广友 中国电子科技集团公司第七研究所
Hale Waihona Puke !摘要"本文主要介绍了多载波线性功率放大器的基本特点、工作原理、技术实现和在现代通信系统中的应
用，给出了一种实用的多载波线性功率放大器的技术参数和原理框图。
! 关键词 "
线性功率放大器
线性化技术 前馈 预失真 互调产物
设主放大器存在的增益压缩比为 ,-. 预期的线性功 率输出为 /012. 实际的功率输出为 * /012 3 ,- + ， 则需 要 误 差 放 大 器 的 功 率 输 出 为 /415 6 /012 *! 7
! +。 例如， 主放大器存在 #’ )$% 的压缩， 对应 !
于从 /!$% 回退 "$%，则误差放大器比主放大器的 功率低 !&’ 8$%。如果误差放大器本身在功率电平 上是 !$% 压缩点，最后输出的功率仍有 #’ #9$% 压 缩，网络仿真表示对应的 :;& 产物仅减少 !9$%。 因此， 误差放大器的压缩 点必须正确设计。 * ) + 正确选择定向耦 合器。用于信号取样和互 调产物抵消的两个定向耦 合器必须有相同的特性和 插入损耗。 由于它们在高 功率电平下工作， 所以必 须使用超线性无源器件，
以下几个技术优势：多载波运行时可共用一个天 线以及同一射频前端；在整个运行频段内可以灵 活分配多个载波；消灭了大量的像腔体之类的复 合设备，这样就可以从根本上减少设备的尺寸和 重量；具有灵活性 " 适用于任何模式的调制 " 无论 是数字的或是模拟的。由于这些优点，许多现代 无线通信系统都被设计为适用于线性功放的系统。 !# $ 数字蜂窝公用移动通信系统 %&’( 系统对振幅失真不太敏感，信息带宽 相对较窄，对功率放大器的线性度要求不高，所 以使用一般的功率放大器即可； )*’( 系统和 ! + !,)*’( 系统，由于波形的峰值与均值比较高，对 功率放大器的线性要求也就比较高，所以必须使 用线性功率放大器。 !# - 集群移动通信系统 在集群移动通信系统中，为了将多个发射机 有效地共用一根天线，必须使用功率合路器技 术。传统的功率合路器的优点是成本低，技术难 度小；缺点是体积大，插入损耗大。如果使用线 性放大器，则信号在低功率处进行任意组合，然 后组合的信号由一个线性功率放大器放大到发射 所需的功率电平，从而简化了设备，缩小了体积 和功耗。因此必须采用超线性的多载波线性功率
射频输入信号分成两个通道，两个通道的性 能完全相同，但信号的大小不同。上支路的放大 器为 (!，信号经过放大后会产生失真信号。定向 耦合器从放大后的信号中取出样本信号，并把它 送到减法器。下支路中，经分路得到的原始信号 首先经过延时，延时长度和信号通过放大器 (! 所 需时间一样长，幅度与样本信号相匹配，然后二 者在反相合成器中相减。 相减所得的信号就是误差信号，其中主要是 由放大器所产生的失真信息。理想情况下，误差 信号中不含有原始信号。该误差信号经误差放大 器 () 放大到所需电平后，送到输出耦合器。通过 耦合器的主信号也要加以延时，延时长度和误差 信号通过放大器 () 所需时间一样长，再加 ! 弧 度，使得它与误差信号反相，然后送到输出耦合 器。这样，误差信号就可以抵消掉主信号中的互 调产物了。 基于前馈补偿的线性化技术的主要优点是： 提高杂波抑制指标的难度不大；工作带宽可以很 宽；可以获得较低的噪声系数；稳定性好。其缺 点是效率低、成本高。 &’ ) 前馈线性化放大器的设计要点 * ! + 必须合理设计误差放大器的压缩点。假